基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡研究

摘要：為了驗證ZigBee協(xié)議的有效性，敘述了新型無線ZigBee通信技術，介紹ZigBee協(xié)議的結構和特點，基于ZigBee協(xié)議的無線網(wǎng)絡設備以及網(wǎng)絡拓撲結構；ZigBee標準協(xié)議棧結構及數(shù)據(jù)在協(xié)議棧內部的傳輸機制。以兩個網(wǎng)絡設備成網(wǎng)為例，詳細給出了ZigBee設備形成網(wǎng)絡時，各個設備的工作狀態(tài)、設備之間網(wǎng)絡連接過程以及數(shù)據(jù)幀的發(fā)送過程。最后，通過Microchip公司的ZigBee實驗平臺驗證了ZigBee無線星型組網(wǎng)，實驗證明，ZigBee技術是有效的無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)技術。
關鍵詞：ZigBee技術；無線傳感器網(wǎng)絡；協(xié)議棧；無線星型網(wǎng)絡

0 引言
ZigBee是一種新興的短距離、低功率、低速率的無線接人技術，工作于無須注冊的2．4 GHz ISM頻段，傳輸速率為10～250 Kb／s，傳輸距離為10～75 m。該項技術自2002年起由ZigBee技術聯(lián)盟研究開發(fā)，采用IEEE 802．15．4標準作為其物理層和媒體接入子層標準、網(wǎng)絡層及上層標準，即ZigBee技術標準。
以傳感器和自組織網(wǎng)絡為代表的無線應用并不需要較高的傳輸帶寬，但卻需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗。因此，迫切需要一種符合傳感器和低端的、面向控制的、應用簡單的專用標準，ZigBee技術的特點使它與無線傳感器網(wǎng)絡完美地結合在一起。本文以ZigBee技術為背景，研究基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡。

1 ZigBee網(wǎng)絡設備及網(wǎng)絡拓撲
ZigBee網(wǎng)絡中可同時存在兩種不同類型的設備，一種是具有完整功能的設備(FFD)，一種是簡化功能的設備(RFD)。在網(wǎng)絡中，F(xiàn)FD通常有3種工作狀態(tài)：作為個人區(qū)域網(wǎng)絡的協(xié)調器(PAN)；作為路由器；作為一個終端設備。一個FFD可以同時和多個RFD或多個其他的FFD通信，而對于RFD，它只能和一個FFD進行通信，故只能作為終端設備。
ZigBee協(xié)調器，即ZigBee的個域網(wǎng)協(xié)調器，是網(wǎng)絡建立的起點，負責網(wǎng)絡的初始化，確定個域網(wǎng)標識符和網(wǎng)絡工作的物理信道，并統(tǒng)籌短地址的分配。ZigBee協(xié)調器必須是全功能設備，并且一個網(wǎng)絡只有一個協(xié)調器。ZigBee路由器是一個全功能設備，類似于定義的協(xié)調器，在接入網(wǎng)路后，它能獲得一定的16位短地址空間。在其通信范圍內，它能允許其他節(jié)點加入或者離開網(wǎng)絡，分配及收回短地址，路由和轉發(fā)數(shù)據(jù)。ZigBee終端設備，既可以是全功能設備，也可以是簡化功能設備，它只能與其父節(jié)點通信，從其父節(jié)點處獲得網(wǎng)絡標識符、短地址等相關信息。
ZigBee網(wǎng)絡由FFD和RFD組成，網(wǎng)絡有兩種拓撲結構：星型拓撲結構和對等拓撲結構。具體拓撲結構如圖1所示。星型拓撲網(wǎng)絡是由一個PAN協(xié)調器的中央控制器和多個從設備組成，主協(xié)調器必須是一個FFD設備，從設備既可以是FFD也可以RFD；對等網(wǎng)絡拓撲結構也存在協(xié)調器，該網(wǎng)絡不同于星型拓撲結構，在該拓撲結構中任何設備只要在其通信范圍之內，就可以和其他設備進行通信。

2 ZigBee協(xié)議棧
根據(jù)ZigBee聯(lián)盟公布的ZigBee技術標準，各個芯片生產廠家都公布了基于自己產品的ZigBee協(xié)議棧。有TI公司、AVR公司、Microchip公司等，其中TI公司及Microchip公司開發(fā)了源代碼開放的ZigBee協(xié)議棧。本文介紹Microchip公司基于ZigBee 2006標準的ZigBee協(xié)議棧。