摘 要：無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。該文從ZigBee協(xié)議的取名原理開始敘述，介紹了ZigBee協(xié)議的特性、四層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、組網(wǎng)設(shè)備分類等。為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TP393.03文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（c）-0029-01

1 ZigBee的由來

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，成百上千個(gè)傳感器之間的如何通信變得越來越重要，短距離無線通信技術(shù)成為一個(gè)重要的解決方案。目前，短距離無線通信方式有藍(lán)牙、紅外線、NFC、Wi-Fi、ZigBee而ZigBee無疑是最適合的通信技術(shù)。蜜蜂一旦發(fā)現(xiàn)花粉，就會(huì)用飛翔和抖動(dòng)翅膀的方式來向同伴說明花粉所在的位置、距離、方向等信息，因此，每一個(gè)蜜蜂成為通信點(diǎn)，最終構(gòu)成一個(gè)群體的通信網(wǎng)絡(luò)。這就是ZigBee名稱的由來，是未來最具市場前景的無線通信技術(shù)。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)就是IEEE 802.15.4協(xié)議網(wǎng)絡(luò)，它由四層網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)組成，分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。

1.1 物理層

主要負(fù)責(zé)無線信號頻段、功率設(shè)置，數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。使用頻段共有三個(gè)，公共自由頻段2.4 GHz，868 MHz和915 MHz分別分配給歐洲和美國使用。

1.2 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層可以細(xì)分為邏輯鏈路控制層和介質(zhì)訪問控制層，邏輯鏈路層主要提供數(shù)據(jù)包的分段、重組、傳輸順序服務(wù)，并為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃蕴峁┍Ｕ稀＝橘|(zhì)訪問控制層主要負(fù)責(zé)無線傳輸線路的建立、維護(hù)和拆除，信道控制、幀校驗(yàn)等管理。

1.3 網(wǎng)絡(luò)層

主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的加入和離開，路徑設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立，并進(jìn)行安全密鑰的設(shè)置。

1.4 應(yīng)用層

為用戶提供各種實(shí)際運(yùn)用服務(wù)。

2 ZigBee協(xié)議的特性

耗電量小。針對無線網(wǎng)絡(luò)供電困難問題，減少網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作周期、降低數(shù)據(jù)收發(fā)的功率、自動(dòng)切換休眠狀態(tài)（ZigBee在不工作時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，傳送數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)喚醒），因些在正常情況下，普通電池可以供電12個(gè)月左右。

可靠性高。使用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）[1]機(jī)制，當(dāng)客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)后，只有等到服務(wù)端返回確認(rèn)信號后，數(shù)據(jù)才算發(fā)送成功。

成本低。由于協(xié)議設(shè)計(jì)簡單，普通8位處理器，4kbyte ROM就可以滿足要求，研發(fā)成本也可以降到最低。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量大。最多可支持255個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信。

安全性高。協(xié)議采用了AES128加密算法，提供數(shù)據(jù)鑒別功能和完整性驗(yàn)證。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的通信都必須通過加密進(jìn)行收發(fā)。

3 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中共有以下幾種節(jié)點(diǎn)類型

終端節(jié)點(diǎn)ZED（ZigBee End Device）它是網(wǎng)絡(luò)的未端節(jié)點(diǎn)，內(nèi)存小，功耗低、可以進(jìn)行睡眠和喚醒狀態(tài)的切換，只進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)[2]ZC（ZigBee Coordinator）啟動(dòng)后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的配置（信標(biāo)、信道、頻段、網(wǎng)絡(luò)地址分配等），管理其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的加入，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的路由功能。

路由節(jié)點(diǎn)ZR（ZigBee Router）當(dāng)其它節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)加入后，重新計(jì)算路由信息，添加相關(guān)節(jié)點(diǎn)的路由信息，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信。

針對節(jié)點(diǎn)的功能不同，可以將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)一步簡化，可分為FFD（full-function device）、RFD（reduced-function device），RFD只負(fù)責(zé)接收或發(fā)送來FFD的信息，相對功能簡單，可以節(jié)省掉部分內(nèi)存和電路，從而降低硬件成本，只需簡單的8位處理器就可以實(shí)現(xiàn)功能。

FFD具有充足的存儲(chǔ)容量來存放路由信息，數(shù)據(jù)處理控制能力相較強(qiáng)，可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)ZC或ZR，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，從而讓其它設(shè)備加入，繼承802.15.4協(xié)議的所有功能特性。

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

4.1 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

星型網(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)ZC或ZR和一個(gè)或多個(gè)ZED節(jié)點(diǎn)組成。在星型結(jié)構(gòu)中FFD設(shè)備即作為ZC設(shè)備，又作為ZR設(shè)備。它負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的搭建與管理，上電后，開始檢測網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，確定自己的頻段，設(shè)定自己的信道，統(tǒng)一定義整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識(shí)符，最終完成網(wǎng)絡(luò)的組建。在完成組網(wǎng)后，ZR通過計(jì)算，生成相應(yīng)的路由表，確定到達(dá)各個(gè)末端結(jié)點(diǎn)的路徑。而其它節(jié)點(diǎn)都為RFD設(shè)備，分部在ZC周圍，直接由ZC負(fù)責(zé)與它們進(jìn)行管理和通信。ZigBee星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)受無線距離影響，這種結(jié)構(gòu)運(yùn)用的比較少。

4.2 樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

它是以ZC為中心，向一個(gè)方向延伸出多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)ZR和多個(gè)末節(jié)點(diǎn)ZED，所有的葉節(jié)點(diǎn)是RFD設(shè)備，根節(jié)點(diǎn)（ZC）負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。由于到葉節(jié)點(diǎn)的信息傳輸，只有一條路徑，而一旦線路破壞，信息就無法傳輸，因此，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性不佳。在數(shù)據(jù)傳輸量不大，需要一定的傳輸距離的，可以選擇樹型結(jié)構(gòu)。

4.3 網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以自由組網(wǎng)，因此具體很強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境能力。在網(wǎng)絡(luò)中只要是在ZR可以通信的范圍內(nèi)，都可以添加設(shè)備，因此，該結(jié)構(gòu)是無序的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀拓?fù)渫ㄟ^不斷添加ZR來增大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。由于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，是自由組網(wǎng)，路由表必須是在不段的更新當(dāng)中，網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量受鏈路狀態(tài)、路由選擇算法[3]影響較大。適用于網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的場合。

參考文獻(xiàn)

[1]彭燕.基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011（5）.

[2]賴聯(lián)有.ZigBee協(xié)議分析及其實(shí)現(xiàn)[J].齊齊哈光華大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（1）.

[3]夏少波.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究[J].山東通信技術(shù)，2009（4）.