基于ZigBee的WPAN网络配置应用

基于ZigBee的WPAN网络配置应用

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低成本、低功耗的无线网络技术。它采用直接序列扩频（DSSS）技术，工作频率为868MHz、915MHz或2.4GHz，都是无须申请执照的频率。基于ZigBee技术配置无线个域网络是近年来近距离无线通信技术的一种新发展，在工业自动化领域以及智能家居领域获得了越来越广泛的应用。

ZigBee网络配置
1 网络设备组成

ZigBee网络设备主要包括网络协调器、全功能设备和精简功能设备3类。

① 网络协调器
包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。功能是发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。

② 全功能设备
全功能设备（Full-Function Device，FFD）可以担任网络协调者，形成网络，让其他的FFD或精简功能装置（RFD）联结。FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。其设备特性如下。

● 附带由标准指定的全部IEEE 802.15.4功能和所有特征；
● 更强的存储能力和计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用；
● 也能用作终端设备。

③ 精简功能设备
精简功能设备（Reduced-Function Device，RFD）只能传送信息给FFD或从FFD接收信息，其设备特性如下。

● 附带有限的功能来控制成本和复杂性；
● 在网络中通常用作终端设备；
● RFD由于省掉了内存和其他电路，降低了ZigBee部件的成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。

2 网络节点类型
从网络配置上，ZigBee网络中有3种类型的节点：ZigBee协调点、ZigBee路由节点和ZigBee终端节点。

① ZigBee协调点
ZigBee协调点在IEEE 802.15.4中也称为PAN（Personal Area Network）协调点（ZigBee Coordinator，ZC），在无线传感器网络中可以作为汇聚节点。ZigBee协调点必须是FFD，一个ZigBee网络只有一个ZigBee协调点，它往往比网络中其他节点的功能更强大，是整个网络的主控节点。它负责发起建立新的网络、设定网络参数、管理网络中的节点以及存储网络中节点信息等，网络形成后也可以执行路由器的功能。ZigBee协调点是3种类型ZigBee节点最为复杂的一种，一般由交流电源持续供电。

② ZigBee路由节点
ZigBee路由节点（ZigBee Router，ZR）也必须是FFD。ZigBee路由节点可以参与路由发现、消息转发，通过连接别的节点来扩展网络的覆盖范围等。此外，ZigBee路由节点还可以在它的个人操作空间（POS，Personal Operating Space）中充当普通协调点（IEEE 802.15.4称为协调点）。普通协调点与ZigBee协调点不同，它仍然受ZigBee协调点的控制。

③ ZigBee终端节点
ZigBee终端节点（ZigBee EndDevice，ZE）可以是FFD或者RFD，它通过ZigBee协凋点或者ZigBee路由节点连接到网络，但不允许其他任何节点通过它加入网络，ZigBee终端节点能够以非常低的功率运行。

3 网络工作模式
ZigBee网络的工作模式可以分为信标（Beacon）和非信标（Non-beacon）2种模式，信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度的功耗节省，而非信标模式则只允许ZE进行周期性休眠，ZC和所有ZR设备必须长期处于工作状态。

信标模式下，ZC负责以一定的间隔时间（一般在15ms～4min）向网络广播信标帧，2个信标帧发送之间有16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区2个部分，消息只能在网络活动区的各时槽内发送。

非信标模式下，ZigBee标准采用父节点为ZE子节点缓存数据，ZE主动向其父节点提取数据的机制，实现ZE的周期性（周期可设置）休眠。网络中所有父节点需为自己的ZE子节点缓存数据帧，所有ZE子节点的大多数时间都处于休眠模式，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。

网络拓扑结构
IEEE 802.15.4网络根据应用的需要可以组织成星型网络，也可以组织成点对点网络。在星型结构中，所有设备都与中心设备PAN网络协调器通信。在这种网络中，网络协调器一般使用持续电力系统供电，而其他设备采用电池供电。星型网络适合家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。与星型网不同，点对点网络只要彼此都在对方的无线辐射范围之内，任何2个设备都可以直接通信。点对点网络中也需要网络协调器，负责实现管理链路状态信息，认证设备身份等功能。点对点网络模式可以支持Ad Hoc网络，允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据。不过一般认为自组织问题由网络层来解决，不在IEEE 802.15.4标准讨论范围之内。点对点网络可以构造更复杂的网络结构，适合于设备分布范围广的应用，例如，在工业检测与控制、货物库存跟踪和智能农业等方面有非常好的应用背景。

由于树状网络和网状网络具有在多个网络之间路由数据包的功能，因而被称为多跳网络，而星形网络则被称为单跳网络。和任何网络一样，ZigBee网络也是多点接入网络，这意味着网络中的所有节点对通信介质的访问是同等的。其有2种类型的多点接入机制，在没有使能信标的网络中，只要信道是空闲的，在任何时候都允许所有节点发送。在使能了信标的网络中，仅允许节点在预定义的时隙内进行发送。协调器会定期以一个标识为信标帧的超级帧开始发送，并且希望网络中的所有节点与此帧同步。在这个超级帧中为每个节点分配了一个特定的时隙，在该时隙内允许节点发送和接收数据。超级帧可能还含有一个公共时隙，在此时，隙内所有节点竞争接入信道。

虽然网络拓扑结构的形成过程属于网络层的功能，但IEEE 802.15.4为形成各种网络拓扑结构提供了充分支持。在规划设计时，通常需要考虑网络容量和时延。ZigBee标准的网络容量虽然可以支持到最多65535个网络节点，但每2个相邻节点完成一次通信需要15ms时间，所以在实际应用中需要考虑网络覆盖范围和响应时间。单点容量大了，覆盖范围扩充不大；响应时间大了，应用业务实现不了。这就需要根据应用环境的不同，设计有效的网络拓扑组合来满足各种不同应用。

1 星型网络
星形网络是一个辐射状系统，数据和网络命令都通过中心节点传输。在这种路由拓扑中，外围节点需要直接与中心节点无线连接，某个节点的冲突或者故障将会降低系统的可靠性。星形网络拓扑结构最大的优点是结构简单，因为很少有上层协议需要执行，设备成本低、较少的上层路由管理；中心节点承担绝大多数管理工作，如发放证书和远距离网关管理等。缺点是：灵活性差，因为需要把每个终端节点放在中心节点的通信范围内，必然会限制无线网络的覆盖范围；而且，集中的信息涌向中心节点，容易造成网络阻塞、丢包、性能下降等情况。

星型网络以网络协调器为中心，所有设备只能与网络协调器进行通信，因此在星型网络的形成过程中，第一步就是建立网络协调器。任何一个FFD设备都有成为网络协调器的可能，一个网络如何确定自己的网络协调器由上层协议决定。一种简单的应用策略是：一个FFD设备在第一次被激活后，首先广播查询网络协调器的请求，如果接收到回应说明网络中已经存在网络协调器，再通过一系列认证过程，设备就成为了这个网络中的普通设备。如果没有收到回应，或者认证过程不成功，这个FFD设备就可以建立自己的网络，并且成为这个网络的网络协调器。当然，这里还存在一些更深入的问题，一个是网络协调器过期问题，如原有的网络协调器损坏或者能量耗尽；另一个是偶然因素造成多个网络协调器竞争问题，如移动物体阻挡导致一个FFD自己建立网络，当移动物体离开的时候，网络中将出现多个协调器。

网络协调器要为网络选择一个唯一的标识符，所有该星型网络中的设备都是用这个标识符来规定自己的属主关系。不同星型网络之间的设备通过设置专门的网关完成相互通信。选择一个标识符后，网络协调器就允许其他设备加入自己的网络，并为这些设备转发数据分组。星型网络中的2个设备如果需要互相通信，都是先把各自的数据包发送给网络协调器，然后由网络协调器转发给对方。

2 树状网络
树状网络是点对点网络的一个例子，也是ZigBee典型的网络拓扑结构。在一般的点对点网络中，任意2个设备只要能够彼此收到对方的无线信号，就可以进行直接通信，不需要其他设备的转发。但点对点网络中仍然需要一个网络协调器，不过该协调器的功能不再是为其他设备转发数据，而是完成设备注册和访问控制等基本的网络管理功能。网络协调器的产生同样由上层协议规定，例如，把某个信道上第一个开始通信的设备作为该信道上的网络协议器。

在ZigBee的树状网络中，绝大多数设备是FFD设备，而RFD设备总是作为树状的叶设备连接到网络中。任意一个FFD都可以充当RFD协调器或者网络协调器，为其他设备提供同步信息。在这些协调器中，只有一个可以充当整个点对点网络的网络协调器。网络协调器可能和网络中其他设备一样，也可能拥有比其他设备更多的计算资源和能量资源。网络协调器首先将自己设为簇头（Cluster Header，CLH），并将簇标识符（Cluster Identifier，CID）设置为0，同时为该簇选择一个未被使用的PAN网络标识符，形成网络中的第一个簇。接着，网络协调器开始广播信标帧；邻近设备收到信标帧后，就可以申请加入该簇；设备可否成为簇成员，由网络协调器决定。如果请求被允许，则该设备将作为簇的子设备加入网络协调器的邻居列表。新加入的设备会将簇头作为它的父设备加入到自己的邻居列表中。

上面描述的只是一个由单簇构成的最简单的树状，个域网网络协调器可以指定另一个设备成为邻接的新簇头，以此形成更多的簇。新簇头同样可以选择其他设备成为簇头，进一步扩大网络的覆盖范围。但是过多的簇头会增加簇间消息传递的延迟和通信开销。为了减少延迟和通信开销，簇头可以选择最远的通信设备作为相邻簇的簇头，这样可以最大限度地缩小不同簇间消息传递的跳数，达到减少延迟和开销的目的。

3 网状网络
MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能。

网状（Mesh）网是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。通过图1可以得知，一个ZigBee网络只有一个网络协调器，但可以有若干个路由器。协调器负责整个网络的建网，同时它也可作为与其他类型网络的通信节点（网关）。构成协调器和路由器的器件必须是全功能器件（FFD），而构成终端设备的器件可以是全功能器件，也可是简约功能器件（RFD）。

图1  ZigBee网状网网络结构图
    
节点功能及配置文件
1 节点功能
典型的ZigBee节点可支持多种特性和功能。例如，I/O节点可能有多种数字和模拟输入/输出。一些数字输入可能被一个远程控制器节点用到，而其他数字输入可能被另一个远程控制器节点使用。这种分配将创建一个真正的分布式控制网络。为了便于在I/O节点和2个控制器节点之间进行数据传输，所有节点中的应用程序必须保存多个数据链路。为了减少成本，ZigBee节点仅使用一个无线信道来和多个端点/接口来创建多条虚拟链路或信道。

一个ZigBee节点支持32个端点（编号为0～31）和8个接口（编号为0～7）。端点0被保留用于设备配置，而端点31被保留仅用于广播，剩下的总共30个端点用于应用。每个端点总共有8个接口。因此，实际上，应用在一个物理信道中最多可能有240条虚拟信道。

一个典型的ZigBee节点也将有很多属性。例如，I/O节点包含称为数字输入1、数字输入2、模拟输入1等的属性。每个属性都有自己的值。例如，数字输入1属性可能有值1或0。属性的集合被称为群集。在整个网络中，每个群集都被分配了一个唯一的群集ID，每个群集最多有65535个属性。

2 配置文件
ZigBee协议还定义了一个称为配置文件的术语。配置文件就是指对分布式应用的描述。它根据应用必须处理的数据包和必须执行的操作来描述分布式应用。使用描述符对配置文件进行描述，描述符仅仅是各种值的复杂结构。此配置文件使ZigBee设备可以互操作。ZigBee联盟已经定义了很多标准的配置文件，例如，远程控制开关配置文件和光传感器配置文件等。任何遵循某一标准配置文件的节点都可以与其他实现相同配置文件的节点进行互操作。每个配置文件可以定义最多256个群集，每个群集最多可以有65535个属性。此灵活性允许节点有大量的属性（或I/O点）。

结语
随着其应用环境的不断拓展和延伸，对于ZigBee无线个域网络的配置机制还需要不断完善，以适应不同应用环境的工作需要。研究ZigBee无线个域网络的配置机制对于个域网络技术的推广应用具有重要的实践意义。