zigbee的系统结构和组网方式.docx

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1、简介ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据传输速率的无线网络技术，它是一种介于无 线标记技术和蓝牙之间的技术方案。ZigBee是建立在IEEE 802.15.4标准之上，它确定了 可以在不同制造商之间共享的应用纲要。IEEE 802.15.4标准定义了 ZigBee协议的PHY层 和MAC层。PHY层规范确定了在2.4GHz （全球通用的ISM频段）以250kb/s的基准传输率工 作的低功耗展频无线电以及另有一些以更低数据传输率工作的915MHz （北美的ISM频段） 和868MHz （欧洲的ISM频段）的实体层规范。MAC层规范定义了在同一区域工作的多个 IEEE 802.15.4无

2、线电信号如何共享空中通道。为了促进ZigBee技术的发展，2001年8月成立了 ZigBee联盟，2002年下半年，英国 Invensys公司、日本三菱电子公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大 巨头共同宣布，它们将加入“ZigBee联盟”，目前该联盟已经有150多家成员，以研发名 为ZigBee的下一代无线通信标准。正如前面所述，ZigBee不仅仅只是802.15.4的名字，IEEE 802.15.4仅处理低级MAC层和 PHY层协议，所以ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化，还开发了安全层，以 保证这种便携设备不会意外泄漏其标识。ZigBee的组成和构网方式1.

3、FFD 和 RFD利用zigbee技术组件的无线个人区域网（WPAN）是一种低速率的无线个人区域网（LR WPAN），这种低速率个人区域网的网络结构简单、成本低廉，具有有限的功率和灵活的吞 吐量。在一个LR WPAN网络中，可同时存在两种不同类型的设备，一种是具有完整功能的设备 （FFD），另一种是简化功能的设备（RFD）。在网络中，FFD通常有3中工作状态：（1）作为个人区域网络（PAN）的主协调器；（2）作为一个普通协调器；（3）作为一个终端设备。FFD可以同时和多个RFD或其他FFD通信。而RFD则只用一种工作状态即作为一个终端设备，并且一gFD只能和一个FFD通信。2. ZigBee的

4、体系结构ZigBee体系结构主要有物理（PHY）层、媒体接入控制（MAC）层、网络/安全层以及应用 框架层构成，如下图所示：图1 ZigBee的体系结构由上图可知：IEEE 802.15.4标准定义了 ZigBee协议的PHY层和MAC层，而ZigBee联盟 对其网络层协议和API进行了标准化，还开发了安全层，这才真正形成了ZigBee协议栈。 其中PHY层的特征是启动和关闭无线收发器，能量检测，链路质量，信道选择，清除信道 评估(CCA)，以及通过物理媒体对数据包进行发送和接受。MAC层的特征是：信标管理，信道接入，时隙管理，发送确认帧，发送连接及断开连接请 求。除此之外，MAC层为应用合适

5、的安全机制提供了一些方法。网络/安全层主要用于ZigBee的LR WPAN网的组网连接、数据管理以及网络安全等。应用框架层主要为ZigBee技术的实际应用提供一些应用框架模型，不同应用场合，不同厂 商提供的应用框架是有差异的。3. ZigBee的网络拓扑结构根据应用需求，ZigBee技术网络有两种网络拓扑结构：星型的拓扑结构和对等的拓扑结构， 其中对等拓扑结构又包括簇状拓扑结构和网状拓扑结构。如下图所示：图2 ZigBee的拓扑结构星型拓扑网络结构由一个叫做PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调 器必须为全功能设备(FFD)，从设备既可为全功能设备(FFD)也可为缩简功能设备(RF

6、D)。 在网络通信中，通常将这些设备分为起始设备或者终端设备，PAN主协调器既可作为起始 设备、终端设备，也可作为路由器，它是PAN网络的主要控制器。在任何一个拓扑网络上， 所有设备都有唯一的64位的长地址码，该地址码可以在PAN中用于直接通信，或者当各 设备之间已经存在连接时，可以将其转变为16位的短地址码分配给PAN设备。因此在设 备发起连接时，采用64位的长地址码，只有连接成功后，系统分配了PAN的标识符后，才能采用16位的短地址码进行连接。因此短地址码是一个相对地址码，长地址码是一个绝 对地址码。在Zigbee技术应用中，PAN主协调器是主要的耗能设备，而其他从设备均采用 电池供电。当

7、一个全功能设备(FFD)第一次被激活后，它就会建立一个自己的网络，将自身 设置成为一个PAN主协调器。所有星型网络的操作独立于当前其他星型网络的操作，也就 是说在星型网络结构中只有一个唯一的PAN主协调器，通过选择一个PAN标识符确保网络 的唯一性。目前，其他无线通信技术的星型网络没有采用这种方式。因此一旦选定了一个 PAN标识符，PAN主协调器就会允许其他从设备加入到它的网络中，无论是全功能设备， 还是缩减功能设备都可以加入到这个网络中。在对等的拓扑网络结构中，同样也存在一个PAN主设备，但该网络不同于星型拓扑网 络结构，在该网络中的任何一个设备只要是在它的通信范围之内，就可以和其他设备进行

8、 通信。对等拓扑网络结构能够构成较为复杂的网络结构，例如网状网拓扑结构，这种对等 拓扑网络结构在工业监测和控制、无线传感器网络、供应物资跟踪、农业智能化以及安全 监控等方面都有广泛的应用。一个对等网络的路由协议可以是基于Ad - hoc技术的，也可 以是自组织式的和自恢复式的。并且在网络中各个设备之间发送消息时，可通过多个中间 设备中继的传输方式进行传输，即通常称为多跳的传输方式，以增大网络的覆盖范围。在对等拓扑结构中，每一个设备都可以与在无线通信范围内的其它任何设备进行通信。 任何一个设备都可定义为PAN主协调器。例如，可将信道中第一个通信的设备定义成PAN主 协调器。簇树拓扑结构其实是对等

9、网络拓扑结构的一种应用形式，它的另一种典型的应用形式 也即为网状网络(Mesh)拓扑结构。在对等网络中的设备可以为全功能设备，也可以为简化 功能设备。而在簇树中的大部分设备为FFD，RFD只能作为树枝末尾处的叶节点，这主要是 由于RFD 一次只能连接一个FFD。任何一个FFD都可以作为主协调器，并且可为其它从设备 或主设备提供同步服务。在整个PAN中，只要该设备相对于PAN中的其他设备具有更多计算 资源，比如具有更快的计算处理能力、更大的存储空间以及更多的供电能力等等。这样的 设备都可以成为该PAN的主协调器，通常称该设备为PAN主协调器。在建立一个PAN时，首先PAN主协调器将其自身设置成一

10、个簇标识符CID)为0的簇头 (CLH)。然后选择一个没有使用的PAN标识符，并向邻近的其他设备以广播的方式发送信标 帧，从而形成第一簇网络。接收到信标帧的候选设备可以在簇头中请求加入该网络，如果 PAN主协调器允许设备加入，那么主协调器会将该设备作为子节点加到它的邻居表中。同 时，请求加入的设备将PAN主协调器作为它的父节点加到邻居表中，成为该网络的一个从 设备，其他的所有侯选设备都按照同样的方式，可请求加入到该网络中，作为网络的从设 备。如果候选设备不能加入该网络中，那么它将寻找其他的父节点。在簇树网络中，最简单的网络结构是只有一个簇的网络，但是多数网络结构由多个相 邻的网络构成。一旦第一

11、簇网络满足预定的应用或网络需求时，PAN主协调器将会按下一 个从设备为另一簇新网络的簇头，使得该从设备成为另一个PAN的协调器，随后其他的从 设备将逐个加入，并形成一个多簇网络。无论是星型拓扑结构，还是对等拓扑网络结构，每个独立的PAN都有一个唯一的标识 符，利用该PAN标识符，可采用16位的短地址码进行网络设备间的通信，并且可激活PAN网 络设备之间的通信。网状网(Mesh)可以看成是簇树网络的一种改进型的对等网络。从数据路由来看，簇树 网络结构很容易导致非均匀流量分配。如图3所示，根节点A承担的数据流量明显比其它次 级根节点承担的数据流量要大，由此可见，通常具有较小路径深度的树结构承担更大

12、流量 处理。由此将导致处于较小路径深度树结构中的节点其电池能量消耗将比其它较大路径深 度树结构中的节点电池能量消耗要快12，因而处于较小路径深度中的节点因能量的快速耗 尽而更容易失效，其单点失败(SPF)和网络分离的现象13 就更容易发生。因此，为了克服网 络流量分配不均，在簇树网络的基础上形成如图4所示的网络结构即Mesh网络结构。图3簇树网络结构图4 Mesh网络结构与簇树网络相比，网状网络传递数据包将会选择一个更短的路径，从而减少根节点的 数据流量。比如，当数据包从节点M向节点I传递的时候，簇树网络中正常的数据包传递路 径是M-L-K-J-A-B-H-I这条路线，而在网状网络中，数据包可

13、能直接从节点M传递到节点I。这 样一方面减少了数据传递的延时，另一方面起到数据分流的作用，从而减轻了根节点的负 担，提高了网络运行的稳定性。4.ZigBee的组网流程节点组网流程如图5所示，当第一个FFD设备被激活后，首先进行对物理层所默认的 有效信道进行能量扫描，以检测可能的干扰，并对检测到的信道按能量值大小进行信道排 序，然后执行主动扫描过程以选择一个最佳信道作为当前工作信道。第一个成功建立网络 的节点也即协调器节点（在MSSTATE_LRWPAN协议栈中，协调器节点在网络建立过程中不 进行信道扫描，直接根据天线的设计频点采用指定的信道进行通信，以达到最佳通信效果） 网络建立之后，所有其它

14、节点（FFD或RFD）均作为网络中的子节点发送入网请求，寻找其通 信范围内的网络，如果找到网络，节点根据所获取的网络信息选择一个父节点提出入网申 请。并等待父节点的请求响应。父节点收到一个入网申请后，将根据请求信息作出是否允 许加入网络的判断，若允许加入，父节点将发出请求响应，告知子节点。子节点收到请求 响应后，将获得一个父节点分配给它的一个网络地址（也叫短地址）作为在网络内的唯一 身份标识。至此节点成功加入网络。首个FFD激活节点将作为协调器广播信标帧，同时接 受新节点的入网请求。图5 ZigBee的组网流程5.ZigBee信息交流方式IEEE 802.15.4使用一种简单的方法来让多个设备

15、使用同一个频率信道，它使用的访 问机制是载波检测多路访问碰撞避免（CSMA-CA）O 在CSMA-CA中，任何时候一个设备想要 发送信息，都要先执行一条空闲信道评估CCA）指令来确保该信道没有被其他设备所使用， 然后它才开始发送信号。判定一个信道是否空闲可以通过测量频带中的频谱能量或者检测 工作中信号的类型。信道访问的方式有两种：基于竞争和免于竞争。在基于竞争的信道访问中，所有想在 同一频率信道传输信息的设备都使用CSMA-CA机制，谁先发现信道空闲谁就先进行传输。 在免于竞争方式中，PAN协调器为特殊设备留出一个时隙，这个时隙叫做GTS（Guarantee Time Slot），因此，有GT

16、S的设备可以在GTS期间开始发送信息，而不需要使用CSMA-CA 机制。为了提供一个GTS，PAN协调器需要确保所有的设备都是同步的，信标（Beacon）有具体的格式，是一个用来同步网络中节点时钟的消息。Beacon的帧格式在后面小节有具体 的讨论。协调器可以选择发送Beacon信号来同步与其相连的设备。这就叫做beacon- enabledPAN。使用beacon的一个缺点就是所有网络中的设备必须定期唤醒，确定beacon、同步它们的时钟、继续休眠。这就意味着网络中的一些设备被唤醒过来只是为了 进行同步，而不执行任何其他任务。因此，在一个beacon-enabled网络中，设备的电池寿 命通

17、常少于nonbeacon的网络。PAN协调器不传输beacon的网络被称作nonbeacon网络，而nonbeacon网络没有GTS 和免于竞争时段，因为其设备不能相互同步。nonbeacon网络中电池的寿命要明显优于 beacon-enabled网络，因为在nonbeacon网络中，设备被唤醒的次数较少。设备之间通信分为（1）设备向主协调器发送数据（2）主协调器向设备发送信息（3）设备 之间通信。对于星型拓扑结构只有前两种通信方式，而对于对等拓扑结构则存在种通信 方式。对于前两种通信方式又存在两种网络环境：beacon-enabled网络和nonbeacon网络。在beacon-enable

18、d网络环境下1）从设备向主协调器发送信息1从设备监听信标2监听到信标之后进行超帧同步，在适当时候使用WGTS时隙的CSMA-CA向主协调器 发送数据帧3主协调器收到数据帧，发送确认帧2）主协调器向从设备发送信息1主协调器更改信标，表明有数据要传输2从设备监听到有信息要传输给自己后，使用有GTS时隙的CSMA-CA机制发送一个数 据请求命令3主协调器收到请求，返回一个确认帧，并通过有GTS时隙的CSMA-CA发送数据帧4从设备收到数据帧，返回确认帧5主协调器收到确认帧，恢复信标。在非信标通信的网络环境下1）从设备向主协调器发送信息1从设备使用非GTS时隙的CSMA-CA发送数据帧2主协调器收到数

19、据帧，返回确认帧2）主协调器向从设备发送信息1从设备使用非GTS时隙的CSMA-CA发送请求数据命令。2主协调器收到请求，返回确认帧，若有数据则使用非GTS时隙的CSMA-CA发送数据 帧，若无数据要发送则发送一个长度为0的数据帧。3.从设备接受到数据帧，返回确认帧。在对等网络中，除了上述两种通讯情况外，还有从设备和从设备之间的通信，为了保持这 种通信（1）设备始终处于接受状态（2）设备间保持互相同步。而对于第一种情况采用非 GTS时隙的CSMA CA机制来传输信息，第二种采用其他一些措施来保证设备间的相互同步。用户需求分析1. 用户需求1）需要一个小范围内的无线网，用来传输传感器收集到的信息

20、。2）需要一个能够能延伸的无线网，来实现远距离采集传感器信息。2. 解决方法第一个需求使用最简单的星型网络拓扑结构即能实现。第二个需求使用网型拓扑结构和簇型拓扑结构均能实现，后续根据实际情况决定采用 何种方案。功能需求对硬件影响由前面的分析可以得出，ZigBee网络设备按功能分类可分为FFD和RFD，结合到此次设计 分以下两种情况：1）星型网络拓扑结构在此网络中需要一个FFD作为主协调器，若干RFD作为传感器收集终端。传感器收集终端只需收集传感器信息并通过CC2530发送到主协调器即可，同时需保留 串口供电脑直接读取数据；主协调器除了收集信息外还必须实现与用户交互功能:LCD 显示器，键盘以及与PC机的通信等。2）对等网络拓扑结构设备要实现的功能与上面类似，但是由于是对等的拓扑结构，传感器信息收集设备可 能需要用FFD来代替RFD。传感器模块和协调器模块最基本的结构如图6所示：图6_1传感器信息收集模块图6_2协调器模块