羅晨汛

（中山大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510006）

責(zé)任編輯:許 盈

1 研究背景及技術(shù)簡介

1.1 研究內(nèi)容與意義

擴展型家庭網(wǎng)絡(luò)是一個多功能的綜合技術(shù)系統(tǒng)，它以家庭住宅為平臺，利用先進的計算機技術(shù)、通信技術(shù)以及信息技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，將家庭中的各種電器設(shè)備通過特定的網(wǎng)絡(luò)有機地融合在一起，從而進行網(wǎng)絡(luò)化的綜合管理與調(diào)控，為人們提供一個舒適、安全、方便、環(huán)保和高效率的生活環(huán)境。

長期以來，無線通信市場對低價、低傳輸率、短距離、低功率的應(yīng)用一直有所要求。而IEEE 802.15小組則一直致力于發(fā)展完善的適用于短程無線通信的標(biāo)準(zhǔn)。在他們的努力下，發(fā)展出了許多適用于各種場合的短程無線通信技術(shù)，并且這些技術(shù)都展現(xiàn)出了它們本身巨大的應(yīng)用潛力與不同的應(yīng)用側(cè)重。在這個背景之下，擴展型家庭網(wǎng)絡(luò)選用哪種無線通信技術(shù)成為了關(guān)鍵問題。

通過如表1所示的常見無線通信技術(shù)的對比[1]，可以發(fā)現(xiàn):藍牙的通信速率比較高，但是它的傳輸距離是瓶頸；WiFi的速率高且傳輸范圍也比較大。

通常，藍牙和ZigBee用于無線個人區(qū)域網(wǎng)（WPAN），而WiFi常用于無線局域網(wǎng)（WLAN）。無線局域網(wǎng)（WLAN）是局域網(wǎng)（LAN）的延伸，其目標(biāo)是針對更大的傳輸范圍和更快的傳輸速度。而無線個人區(qū)域網(wǎng)（WPAN）的發(fā)展不是為了取代局域網(wǎng)，它的目標(biāo)是為了脫離那些復(fù)制的架構(gòu)，從而提供更方便、更節(jié)能的個人無線操作區(qū)域（POS）。相對之下，ZigBee提供了一個比較廣的傳輸距離，同時數(shù)據(jù)率較低，因此功耗也比較低。應(yīng)用在擴展型家庭網(wǎng)絡(luò)中可以提供建立整個家庭網(wǎng)絡(luò)、傳達服務(wù)器的指令以及對家庭內(nèi)無線設(shè)備的控制與操作等功能。因此，采用ZigBee技術(shù)可以給本項目帶來更好的擴展性和更低的能耗。

表1 幾種常見的無線通信技術(shù)對比

本文所介紹的擴展型家庭網(wǎng)絡(luò)利用ZigBee技術(shù)將家庭中許多相對獨立的家用電器聯(lián)系起來，構(gòu)成了一個統(tǒng)一的智能家居系統(tǒng)，從而方便對家居中的各種電器設(shè)備進行本地操作。同時也可通過ZigBee網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)遠程控制各個ZigBee終端以及各種電器設(shè)備[2]。

1.2 ZigBee技術(shù)簡介

2000年12月IEEE成立了IEEE 802.15.4工作組。這個工作組致力于定義一種提供廉價的固定、便攜或者移動設(shè)備使用的低復(fù)雜度、低成本、低速率的無線連接技術(shù)[2]。

ZigBee是建立在IEEE 802.15.4協(xié)議的基礎(chǔ)上的，是一種短距離、低功耗的無線自組網(wǎng)技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)[3]。ZigBee的特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。基于這些特點，ZigBee現(xiàn)在被廣泛用于機械自動化控制、大型土木工程及智能家居等領(lǐng)域。

ZigBee聯(lián)盟是一個由多個電子半導(dǎo)體廠商聯(lián)合成立的高速成長的非盈利業(yè)界組織，該聯(lián)盟為Zigbee的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)和并作出了標(biāo)準(zhǔn)[3]。ZigBee聯(lián)盟指明了ZigBee并不是用來與藍牙或者其他已經(jīng)存在的標(biāo)準(zhǔn)競爭，它的目標(biāo)定位于現(xiàn)存的系統(tǒng)還不能滿足其需求的特定的市場，它有著廣闊的應(yīng)用前景。他們預(yù)言在未來的4～5年，每個家庭將擁有50個ZigBee器件，最后將達到每個家庭150個。據(jù)ZigBee聯(lián)盟估計，到2007年，ZigBee市場價值將達到數(shù)億美元。

ZigBee技術(shù)在國內(nèi)雖也有所發(fā)展，但對比于國外的廣泛應(yīng)用，還是稍顯滯后。其中自主研制且比較成熟的ZigBee產(chǎn)品在國內(nèi)還不常見，只有一些研究性和簡單應(yīng)用的文章出現(xiàn)于期刊雜志。ZigBee在國內(nèi)的研究主要集中在一些大學(xué)內(nèi)，如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、中山大學(xué)等[2]。他們多數(shù)通過自主研發(fā)或利用廠商提供的模塊組建出ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并在此之上建立出各自的應(yīng)用系統(tǒng)。相信隨著研究的深入，ZigBee無線技術(shù)在社會上將會有更多的實際應(yīng)用與產(chǎn)品。

2 ZigBee技術(shù)組網(wǎng)與路由

ZigBee聯(lián)盟于2005年6月公布了第一份ZigBee規(guī)范《ZigBee Specification V1.0》[4]。這份規(guī)范詳細(xì)定義了ZigBee協(xié)議的細(xì)節(jié)，對于ZigBee的應(yīng)用及發(fā)展起到了重要的作用。本節(jié)基于這份標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)分析ZigBee的組網(wǎng)技術(shù)和路由技術(shù)。

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)由一組被稱為層的模塊組成。每一層為上面的層執(zhí)行一組特定的服務(wù):數(shù)據(jù)實體提供了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆?wù)，而管理實體提供了其他服務(wù)。

服務(wù)入點（SAP）是一個接口，每個服務(wù)實體通過這接口為上層提供服務(wù)。每個SAP可以提供多種功能，是通過支持一些特定的服務(wù)原語來實現(xiàn)的[4]。

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)棧架構(gòu)與OSI的7層模型比較相像，但是與其比起來，ZigBee的協(xié)議棧只有4層，較之更為精簡。

其中底層的兩層:物理層PHY和媒體訪問控制層MAC由IEEE 802.15.4—2003標(biāo)準(zhǔn)所定義[5]。ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層NWK、應(yīng)用層APL架構(gòu)。應(yīng)用層架構(gòu)由應(yīng)用支持子層APS、應(yīng)用架構(gòu)AF以及ZigBee設(shè)備對象ZDO組成。整個協(xié)議構(gòu)架（如圖1所示）在標(biāo)準(zhǔn)制定的分工上，由ZigBee聯(lián)盟與IEEE 802.15.4的任務(wù)小組共同制定。

圖1 ZigBee協(xié)議體系

2.2 ZigBee組網(wǎng)技術(shù)

首先從研究ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類型和節(jié)點類型入手；然后通過認(rèn)識網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)的建立來學(xué)習(xí)ZigBee設(shè)備的建網(wǎng)流程和入網(wǎng)流程，最后將說明Zig?Bee組網(wǎng)的主要流程與其中用到的算法。

2.2.1 ZigBee設(shè)備類型

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中主要工作的是兩種設(shè)備:全功能設(shè)備（FFD）和精簡功能設(shè)備（RFD）。其中RFD設(shè)備只提供數(shù)據(jù)鏈路方面的部分服務(wù)，因此硬件要求較低。RFD一般只具有收集信息與將采集信息回送給協(xié)調(diào)的功能，故其只能做為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備，也不具備路由功能；而FFD設(shè)備相對而言提供更全面的服務(wù)，不僅可用于采集數(shù)據(jù)，還可以轉(zhuǎn)發(fā)其他節(jié)點的數(shù)據(jù)。這點性質(zhì)使其可以做為協(xié)調(diào)器或路由器，是一個Zig?Bee網(wǎng)絡(luò)中的主要構(gòu)成[4]。

2.2.2 ZigBee節(jié)點類型

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點一共分為3類，分別是協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設(shè)備（End De?vice）。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器、多個路由器和多個終端組成。其中協(xié)調(diào)器和路由器是全功能設(shè)備（FFD），而終端設(shè)備則應(yīng)該是精簡功能設(shè)備（RFD）[3]。

協(xié)調(diào)器（Coordinator）:協(xié)調(diào)器的主要功能是啟動一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，啟動后會掃描整個RF射頻環(huán)境，選擇一個信道以及一個唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符從而完成這個網(wǎng)絡(luò)的一些初始化問題。協(xié)調(diào)器還可以對本網(wǎng)絡(luò)進行一些配置以及對收集到的數(shù)據(jù)統(tǒng)一進行加密。

路由器（Router）:路由器允許更多的設(shè)置加入其所屬的網(wǎng)絡(luò)。它提供了新設(shè)備入網(wǎng)和設(shè)備離開本網(wǎng)絡(luò)的接口。它還支持多跳，可以將子節(jié)點的信息路由傳輸給協(xié)調(diào)器。路由節(jié)點應(yīng)該在整個通信過程中一直保持激活狀態(tài)（一般不進行睡眠）。

終端設(shè)備（End Device）:終端設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)中的特殊節(jié)點，這些節(jié)點不具備維護本網(wǎng)絡(luò)的功能，所以它們是可以通過睡眠來節(jié)能的。終端設(shè)備只能和協(xié)調(diào)器或者路由器進行通信，兩個終端設(shè)備之間是不能進行直接的通信的。

2.2.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中定義了3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?，分別為星形拓?fù)?、樹形拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)鋄2]，如圖2所示。

圖2 ZigBee的3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

星形網(wǎng)絡(luò)是3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中最簡單的，也是最基礎(chǔ)的。在星形網(wǎng)絡(luò)中，每個設(shè)備都與協(xié)調(diào)器直接通信。典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)就是星形拓?fù)?一個FFD做為協(xié)調(diào)器位于網(wǎng)絡(luò)的中心，啟動和初始化這個網(wǎng)絡(luò)；這個協(xié)調(diào)器選一個唯一可標(biāo)識本網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識號后，其他連上此協(xié)調(diào)器的終端設(shè)備都將統(tǒng)一使用本標(biāo)識號。本網(wǎng)啟動之后，其他網(wǎng)絡(luò)不得再使用此標(biāo)識號。星形網(wǎng)絡(luò)的通信基本上都是使用點對點的通信，終端設(shè)備與本網(wǎng)段的協(xié)調(diào)器之間互相通信，協(xié)調(diào)器采集各終端發(fā)來的數(shù)據(jù)再進行下一步的處理。

在樹形網(wǎng)絡(luò)中，與星形網(wǎng)絡(luò)相同之處是都有一個協(xié)調(diào)器啟動和初始化本網(wǎng)絡(luò)，但是區(qū)別是樹形網(wǎng)絡(luò)中，F(xiàn)FD節(jié)點都可以包含自己的子節(jié)點，而RFD只能作為葉子結(jié)點。這意味著協(xié)調(diào)器下還可以分路由器，這樣層層劃分，從而行成了樹形的網(wǎng)絡(luò)。在樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每個節(jié)點都只能和他的父節(jié)點和子節(jié)點通信，其中終端節(jié)點作為這棵樹中的葉子結(jié)點，而路由器則可以參于數(shù)據(jù)的路由，將數(shù)據(jù)信息層層上傳直到傳給非終端節(jié)點的目標(biāo)節(jié)點。在樹形網(wǎng)絡(luò)中，路由器同樣可以參于配置本網(wǎng)絡(luò)，但是其缺點是網(wǎng)絡(luò)建好之后路由也隨之確定了，欠缺了靈活性。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動和初始化整個網(wǎng)絡(luò)，路由器則負(fù)責(zé)傳輸分支當(dāng)中的消息，而終端設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)的葉子節(jié)點負(fù)責(zé)收集信息，其沒有路由消息的能力，但可以將自身收集的數(shù)據(jù)發(fā)送給其他FFD。網(wǎng)狀拓?fù)涞囊粋€功能是多跳，當(dāng)傳輸過程中遇到障礙時，可以采用多跳將數(shù)據(jù)從別的路由器傳送給目的設(shè)備。網(wǎng)狀拓?fù)涞慕M網(wǎng)過程和分址算法都較前兩個拓?fù)涓訌?fù)雜。

2.2.4 網(wǎng)絡(luò)的建立

如前所述，第一個啟動的協(xié)調(diào)器設(shè)備會建立一個網(wǎng)絡(luò)。建立一個新的網(wǎng)絡(luò)包括一些初始化的過程，其中包括了選擇合適的信道和唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符（PAN ID），并設(shè)置自己的網(wǎng)絡(luò)地址為0x0000，如果希望建立信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)還需要配置超幀結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)層首先請求MAC子層通過信道掃描檢測各個信道的能量狀況，接收到能量檢測掃描結(jié)果后，拋棄能量超過可接受水平的信道，從中選擇一個能量干擾較低的信道并指定一個與現(xiàn)存

PAN ID不沖突的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符，設(shè)置協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址為0x0000，通 過 MLME-START.request原語開始運行新的PAN（個人區(qū)域網(wǎng)）[6]。

2.2.5 設(shè)備入網(wǎng)

ZigBee協(xié)調(diào)器或路由器通過 NLME-PERMIT-JOINING.request原語設(shè)置MAC子層的macAssoeiationPermit PIB為TRUE，允許設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。NWK層有3種加入網(wǎng)絡(luò)的情況:1）子設(shè)備沒有加入任何網(wǎng)絡(luò)，希望加入一個新的網(wǎng)絡(luò)；2）子設(shè)備沒有加入網(wǎng)絡(luò)，但是父設(shè)備希望它加入網(wǎng)絡(luò)；3）子設(shè)備已經(jīng)加入了網(wǎng)絡(luò)，但由于某些原因失去和網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)系，希望重新加入網(wǎng)絡(luò)。

2.3 ZigBee地址分配與路由算法

在ZigBee協(xié)議中常用的是分層次的樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因為其構(gòu)造簡單，組網(wǎng)方便，運算量少，非常適用于擴展型家庭網(wǎng)絡(luò)這種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)比較簡單的網(wǎng)絡(luò)中。常用的層次拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)見圖3。

圖3 常用的層次拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)

2.3.1 ZigBee地址分配算法

先定義幾個要用到的參數(shù):Lm表示網(wǎng)絡(luò)所允許的最大深度；Cm表示每個父節(jié)點可接受的最大孩子數(shù)；Rm表示每個父節(jié)點可接受的最大路由器數(shù)；d表示設(shè)備所處的網(wǎng)絡(luò)中的深度。

所給出的算法實例以圖4進行說明。

圖4 Cskip地址分配算法圖例

為了運算方便，這里的例子先假定Lm=3，Cm=Rm=2。首先給出計算Cskip(d)的公式

根據(jù)式（1），可以算出各個深度的Cskip(d)（如圖4）。Cskip(d)是整個Cskip算法的基礎(chǔ)，進一步的第n個設(shè)備的地址分配就可由Cskip(d)算出。

根據(jù)式（2）可以算出新加入網(wǎng)的設(shè)備n應(yīng)該被分配怎樣的地址。如圖4中，Addr=9的設(shè)備，其兩個子設(shè)備的地址分配可以這樣計算:

1）第1個子設(shè)備 =9+0×2+1=10；

2）第2個子設(shè)備 =9+0×2+2=11。

2.3.2 ZigBee路由算法

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中采用的是一種按距離矢量路由（AODV）的路由算法。一個ZigBee路由器或協(xié)調(diào)器維護一個路由表，里面記錄了許多有關(guān)路由計算的信息，通過定期地更新此表與應(yīng)用下面的一些路由算法，可以比較快速地將信息路由至指定的設(shè)備[6]。

緊接著上一節(jié)的Cskip算法，根據(jù)得出的設(shè)備地址得出的一些路由算法如下:

當(dāng)路由數(shù)據(jù)時，就可以知道設(shè)備X是否為設(shè)備A的子孫，利用以下判別式

根據(jù)式（3），可以很容易地判斷地址為11的設(shè)備X是不是地址為8的設(shè)備A的子孫。因為8＜11＜7+8，符合式（3），所以設(shè)備X是設(shè)備A的子孫。

當(dāng)設(shè)備確定目的地是自己子孫時，就可以計算下一跳；如果目的地就是自己的子孫，直接交付。否則，由下式算出下一跳交付地址

根據(jù)式（4），可以算出當(dāng)如圖4的地址為8的設(shè)備Y要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給設(shè)備11時，應(yīng)該做的運算代碼是next-hop=8+1+int{(11-(8+1))/3}×3=9，所以設(shè)備Y要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)給地址為9的子設(shè)備。

2.3.3 ZigBee中的路由實現(xiàn)

ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee路由器都包含有路由表和路由發(fā)現(xiàn)表[7]。

路由表中主要由路由狀態(tài)信息、目標(biāo)地址、組地址、下一跳地址等組成。

路由發(fā)現(xiàn)表主要由路由發(fā)現(xiàn)序列號、源地址、發(fā)送者地址（與源地址區(qū)別，這個可能是轉(zhuǎn)發(fā)器的地址）、前向耗廢，累計耗廢以及消忘時間等組成。

路由表能力是指一個設(shè)備有能力使用其路由表來建立到某個目標(biāo)設(shè)備的一條路由。一般把滿足以下條件的設(shè)備叫作有路由表能力:1）它是一個ZigBee協(xié)調(diào)器或ZigBee路由器；2）它維護一個路由表；3）它有一個空閑的路由表條目或已經(jīng)有一個對應(yīng)于目標(biāo)地址的路由表條目。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在NWK層上通過路由發(fā)現(xiàn)程序來尋找和建立路由，它總是由指定的源設(shè)備和目標(biāo)設(shè)備共同參與完成的。網(wǎng)絡(luò)層從上層網(wǎng)絡(luò)實體收到NLDE.DA?TA.request原語，并且該原語的DiscoverRoute參數(shù)為TRUE時，在如下情況下，路由發(fā)現(xiàn)程序會被NWK層初始化:網(wǎng)絡(luò)層幀報頭中的目的地址不是當(dāng)前設(shè)備地址或者廣播地址；NWK層幀控制域的發(fā)現(xiàn)路由子域值為1；在路由表中沒有與DstAddr相對應(yīng)的入口[6]。

路由發(fā)現(xiàn)期間，一個ZigBee路由器或ZigBee協(xié)調(diào)器需要維護以便于參與發(fā)現(xiàn)某條路由的信息，分布在一個路由表條目和一個路由發(fā)現(xiàn)表條目之間。一旦發(fā)現(xiàn)完成，只有路由表條目需要維護，以便NWK層可以沿著所發(fā)現(xiàn)的路由執(zhí)行路由尋找。

在本節(jié)中，提到了一個路由表條目及其對應(yīng)的路由發(fā)現(xiàn)表條目之間的這種關(guān)系，反之亦然。這一對應(yīng)的維護取決于執(zhí)行者，因為表中的條目沒有任何共同之處，但是值得注意的是定義一個路由發(fā)現(xiàn)的唯一密鑰，是路由發(fā)現(xiàn)命令幀的源地址，路由請求ID由該設(shè)備生成，并在命令幀負(fù)載中攜帶。

3 ZigBee技術(shù)在擴展型家庭網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

ZigBee所具有的低速率、低功耗的無線互聯(lián)應(yīng)用的特點，非常適合家庭無線組網(wǎng)。本節(jié)主要討論Zig?Bee技術(shù)在擴展型家庭網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

3.1 基于ZigBee技術(shù)擴展型家庭網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖5給出了基于ZigBee技術(shù)擴展型家庭網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee子網(wǎng)關(guān)與ZigBee終端設(shè)備，依據(jù)ZigBee協(xié)議構(gòu)成自組織的ZigBee家居控制網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)通過數(shù)字家庭網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)與處于公共網(wǎng)絡(luò)中的中心服務(wù)器的雙向通信。

3.2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計與實現(xiàn)

擴展型網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)關(guān)是智能家居中一個核心設(shè)備，它實現(xiàn)了與外網(wǎng)服務(wù)器的直接通信，同時對受控設(shè)備進行直接的控制。其軟件架構(gòu)主要包括6個部分:主控制模塊、Zigbee通信模塊、TCP/IP通信模塊、指令解析模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和外部事件處理模塊。各模塊

圖5 基于ZigBee技術(shù)擴展型家庭網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

間的關(guān)系如圖6所示。

圖6 功能模塊關(guān)系圖

圖6中實線箭頭表示模塊間有直接通信關(guān)系；虛線表示模塊間有牽制關(guān)系，它們通過主控制模塊進行間接通信。

如圖6所示，主控制模塊時刻監(jiān)視著系統(tǒng)的運行，以實現(xiàn)對各功能模塊的調(diào)度。外部事件處理模塊受到外部事件的觸發(fā)，當(dāng)檢測到有外部事件發(fā)生時修改系統(tǒng)狀態(tài)并通知主控制模塊進行相應(yīng)的處理。

擴展型網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)關(guān)運用上述幾個模塊，實現(xiàn)了家居設(shè)備與系統(tǒng)后臺之間的通信，其具體功能實現(xiàn)包括以下主要部分。

3.2.1 ZigBee通信具體實現(xiàn)

系統(tǒng)采用星型組網(wǎng)方式構(gòu)建了一個WPAN網(wǎng)絡(luò)，在WPAN網(wǎng)絡(luò)中可同時存在兩種不同類型的設(shè)備，一種是簡化功能的設(shè)備（RFD），另一種是具有完整功能的設(shè)備（FFD）。FFD主要作為WPAN中的協(xié)調(diào)器，它可與多個RFD以及FFD建立直接通信；RFD作為WPAN中的一個終端設(shè)備，只能與一個FFD建立直接通信，在本系統(tǒng)中它用于連接家庭中的受控設(shè)備（如水電氣計量表、電器、傳感器等）。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集、處理及設(shè)備控制

ZigBee技術(shù)在擴展型家庭網(wǎng)絡(luò)中主要用于計量數(shù)據(jù)的采集以及設(shè)備的控制。為了實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中控制器和受控設(shè)備的正常通信，制定了一套標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)幀格式（見圖7）。

圖7 ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信數(shù)據(jù)幀格式

在擴展型家庭網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器作為數(shù)據(jù)采集的集中處理及設(shè)備控制的中心節(jié)點，存在于家庭子網(wǎng)關(guān)中。各數(shù)據(jù)采集設(shè)備及受控設(shè)備通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與子網(wǎng)關(guān)建立直接的通信。

3.2.3 TCP/IP通信

由于IPv4仍然廣泛使用，家庭局域網(wǎng)內(nèi)部使用的是私有IP地址[8]，且一般情況下家庭網(wǎng)絡(luò)中外網(wǎng)入口IP是通過DHCP服務(wù)器自動分配，有一定的租用期。因此，要實現(xiàn)外網(wǎng)服務(wù)器對家電設(shè)備進行實時查詢和控制就必須使擴展型網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)關(guān)能夠主動與外網(wǎng)服務(wù)器建立穩(wěn)定的連接[9]。

基于以上需求，必須在擴展型網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)關(guān)中加入一個TCP/IP網(wǎng)絡(luò)客戶端，與ZigBee協(xié)調(diào)器共同構(gòu)成一個整體。TCP/IP網(wǎng)絡(luò)客戶端的主要功能是與外網(wǎng)服務(wù)器建立穩(wěn)定的連接以實現(xiàn)實時的雙向通信，同時也具有一定的異常處理能力。

如圖8所示，擴展型網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)關(guān)首先向服務(wù)器發(fā)送連接請求。連接成功建立后，擴展型網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)關(guān)將用戶信息發(fā)送到遠程服務(wù)器進行注冊，注冊后服務(wù)器可根據(jù)用戶信息查詢指定用戶的家電設(shè)備計量數(shù)據(jù)，這是實現(xiàn)家電設(shè)備狀態(tài)查詢的關(guān)鍵。

圖8 網(wǎng)關(guān)注冊請求流程

3.2.4 指令解析模塊功能實現(xiàn)

指令解析模塊是實現(xiàn)ZigBee協(xié)議與TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換中間部件，它負(fù)責(zé)對服務(wù)器端的查詢、控制命令進行解析，以便ZigBee協(xié)調(diào)器根據(jù)解析結(jié)果通知各站點做出相應(yīng)的操作。

數(shù)據(jù)幀格式的設(shè)計是實現(xiàn)擴展型網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器雙向交互的關(guān)鍵。在本系統(tǒng)中子網(wǎng)關(guān)需要與服務(wù)器交互的數(shù)據(jù)幀有如下幾種:1）注冊請求幀，由網(wǎng)關(guān)發(fā)出，用于向服務(wù)器請求注冊；2）注冊狀態(tài)幀，由服務(wù)器發(fā)出，作為注冊請求幀的回應(yīng)幀，用于向擴展型網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)關(guān)傳達注冊狀態(tài)；3）查表命令幀，由服務(wù)器發(fā)出，用于向擴展型網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)關(guān)發(fā)送查詢命令；4）設(shè)備控制幀，由服務(wù)器發(fā)出，用于向擴展型網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)關(guān)發(fā)送設(shè)備的控制命令，如關(guān)閉水電氣供應(yīng)；5）設(shè)備數(shù)據(jù)幀，由擴展型網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)關(guān)發(fā)出，作為查表命令幀的回應(yīng)幀，用于返回所查家電設(shè)備的計量數(shù)據(jù)；6）連接心跳幀，由服務(wù)器發(fā)出，網(wǎng)關(guān)通過該數(shù)據(jù)幀判斷服務(wù)器工作是否正常。

4 小結(jié)

本文開頭先對比了同為2.4 GHz頻段的ZigBee、藍牙、WiFi技術(shù)，并通過對擴展型家庭網(wǎng)絡(luò)的介紹，分析其特點，給出了ZigBee技術(shù)用于擴展型家庭網(wǎng)絡(luò)的可行性與優(yōu)勢。

本文先簡略地介紹了ZigBee的歷史、發(fā)展，然后較為詳細(xì)地討論了ZigBee技術(shù)中的關(guān)鍵部分，包括Zig?Bee的組網(wǎng)技術(shù)和路由技術(shù)。在討論組網(wǎng)技術(shù)的時候重點介紹了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浼暗刂贩峙涞乃惴?。接著詳?xì)介紹了路由的算法以及ZigBee協(xié)議在一些具體的協(xié)議棧里面是如何實現(xiàn)的。

最后闡述了ZigBee技術(shù)如何應(yīng)用在一個具體的項目——擴展型家庭網(wǎng)絡(luò)中。整個系統(tǒng)包括:Internet服務(wù)器端、家庭ZigBee子網(wǎng)關(guān)與ZigBee終端設(shè)備。較為詳細(xì)地介紹了其中主模塊的設(shè)計與實現(xiàn)，包括通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和指令解析模塊等。

ZigBee技術(shù)彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺。但是在標(biāo)準(zhǔn)化、應(yīng)用推廣、安全性、數(shù)據(jù)庫集成等方面仍有待充實與提高，這幾點無疑會給今后的研究工作帶來更大的挑戰(zhàn)，同時也是更多的期待[2]。相信通過不懈的努力和追求，本課題一定會取得更多的成果。

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[3]原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究[J].計算機應(yīng)用軟件，2004，21（6）:89-91.

[4]ZigBee Alliance.ZigBee specification[EB/OL].[2011-03-03].http://www.doc88.com/p-10387572691.html.

[5]IEEE Computer Society.IEEE Std 802.15.4-2003[EB/OL].[2011-05-03].http://www.docin.com/p-57745404.html.

[6]周武斌，羅大庸.ZigBee路由協(xié)議的研究[J].計算機工程與科學(xué)，2009（6）:12-14.

[7]江玲，周健明.ZigBee網(wǎng)絡(luò)層關(guān)鍵技術(shù)研究與實現(xiàn)[J].黃石理工學(xué)院學(xué)報，2009（1）:27-31.

[8]3Com Corp.White paper:understanding IP addressing:everything you ever wanted to know[EB/OL].[2011-05-10].http://wenku.baidu.com/view/4362ea75a417866fb84a8e55.html.

[9]科姆.計算機網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)[M].5版.北京:清華大學(xué)出版社，2010.