ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

    ZigBee協(xié)議是一個(gè)全球化的開放性標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)測(cè)、控功能的眾多應(yīng)用提供低功耗的無線連接。ZigBee以靈活的、可擴(kuò)充的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、便于安裝的綜合設(shè)置和智能路由技術(shù)、高防故障能力，增強(qiáng)了IEEE802.15.4功能。ZigBee還具有嚴(yán)格的安全措施，可以和其它無線技術(shù)，如藍(lán)牙和WiFi等在同一個(gè)工作環(huán)境中和平共處。

　　ZigBee的無線傳輸距離與工作環(huán)境密切相關(guān)。標(biāo)準(zhǔn)無線控制模塊在0dBm輸出功率時(shí)，室外工作距離可達(dá)450米，但在室內(nèi)，由于墻體和其它物體的吸收、反射、衍射、駐波等效應(yīng)，距離大大縮短；輸出功率大于15dBm功率模塊的工作距離約可增加10倍。此外，無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)形，簇樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還能進(jìn)一步增加工作距離。
　　
　　通信的安全性與可靠性

　　由于通信會(huì)受到無線干擾和較差的發(fā)送/接收條件的破壞，ZigBee使用多項(xiàng)技術(shù)來確保通信的可靠性。首先，ZigBee網(wǎng)絡(luò)在無線傳輸時(shí)采用編碼機(jī)制。在2.4GHz頻帶采用的是正交移相鍵控(QPSK)調(diào)制技術(shù)，同時(shí)將4位數(shù)據(jù)符號(hào)變換為32位片序列。這樣，既使在同一信道內(nèi)，在同一時(shí)間有其它無線信號(hào)，ZigBee消息也能完整地到達(dá)目的地。

　　其次，它的傳輸采用帶沖突避免的載波偵聽、多點(diǎn)接入方案。簡(jiǎn)單地說，節(jié)點(diǎn)在發(fā)送前首先要偵聽信道，看它是否是暢通的。要是信道正工作著，節(jié)點(diǎn)延時(shí)后再次偵聽，這樣反復(fù)進(jìn)行直到信道暢道為止才開始發(fā)送消息。其次，消息到達(dá)目的地后，接收設(shè)備要送一個(gè)確認(rèn)信號(hào)來表示消息已經(jīng)收到。如果發(fā)送設(shè)備沒有收到確認(rèn)信號(hào)，它將在一定時(shí)間間隔內(nèi)再次發(fā)送原有的消息。

　　ZigBee內(nèi)設(shè)“安全工具箱”來提供高安全性，主要措施有：

　　·接入控制表：只有預(yù)定義的“友好”節(jié)點(diǎn)才能加入網(wǎng)絡(luò)；

　　·128位AES基加密技術(shù)：一種高安全的密鑰基加密系統(tǒng)，某些無線微控制器還備有硬件保密功能。

　　·消息更新定時(shí)器：拒絕超時(shí)消息，防止外侵消息攻擊網(wǎng)絡(luò)。
　　
　　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)有三種拓?fù)湫问剑盒切?、簇樹形和網(wǎng)形(圖1)。消息從一個(gè)節(jié)點(diǎn)如何路由至另一個(gè)節(jié)點(diǎn)完全取決于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。星形網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，所有消息都經(jīng)它傳輸。簇樹形網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)頂端節(jié)點(diǎn)，下面有枝有葉，消息先上行再下傳。網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)與簇樹形相似，但它的某些枝、葉可直接鏈接。

　　網(wǎng)絡(luò)的基本單元是節(jié)點(diǎn)，單一網(wǎng)絡(luò)最多可設(shè)65535個(gè)節(jié)點(diǎn)。按功能區(qū)分，有簡(jiǎn)化功能設(shè)備(RFD)和全功能設(shè)備(FFD)。前者按最少RAM和ROM資源實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)成網(wǎng)絡(luò)中簡(jiǎn)單的收/發(fā)節(jié)點(diǎn)。它能搜索現(xiàn)成網(wǎng)絡(luò)，必要時(shí)傳輸應(yīng)用數(shù)據(jù)，向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器請(qǐng)求數(shù)據(jù)，多數(shù)時(shí)間處于休眠狀態(tài)以節(jié)省電池功耗。后者可用作網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，連接協(xié)調(diào)器或另一個(gè)通信設(shè)備。它還能發(fā)現(xiàn)其它RFD和FFD建立通信聯(lián)系。

　　在具體網(wǎng)絡(luò)中，邏輯設(shè)備類型是ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee路由器和ZigBee端點(diǎn)設(shè)備。協(xié)調(diào)器啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息。它還能提供路由消息、安全管理和其它服務(wù)。路由器參與網(wǎng)絡(luò)中成對(duì)節(jié)點(diǎn)的消息路由，可讓子節(jié)點(diǎn)與它連接。終端節(jié)點(diǎn)不能傳輸消息，也不能連接其它子節(jié)點(diǎn)，它的主要任務(wù)是發(fā)送與接收消息。

　　ZigBee自形成和自愈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)允許數(shù)據(jù)和控制消息通過多條路徑傳輸，這一特性擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)的范圍并提高了數(shù)據(jù)的可靠性。網(wǎng)絡(luò)的對(duì)等功能可用于構(gòu)建大型的，地域分散的網(wǎng)絡(luò)，將小型網(wǎng)絡(luò)連接在一起形成簇樹網(wǎng)絡(luò)。
　　
　　應(yīng)用數(shù)據(jù)類型

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，應(yīng)用不同，其獲得的數(shù)據(jù)類型也不同，通?？煞譃?類：

　　·周期性數(shù)據(jù)。無線傳感器和儀表應(yīng)用定義的數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)由信標(biāo)系統(tǒng)處理的，ZigBee的MAC具有用于時(shí)間同步的帶信標(biāo)超幀結(jié)構(gòu)，在規(guī)定時(shí)間喚醒傳感器，檢測(cè)信標(biāo)，交換數(shù)據(jù)，然后再次進(jìn)入休眠狀態(tài)。

　　·間歇性數(shù)據(jù)。無線照明控制或外部激勵(lì)應(yīng)用數(shù)據(jù)。在無信標(biāo)或斷開連接系統(tǒng)中處理數(shù)據(jù)，設(shè)備僅在需要通信時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)。

　　·重復(fù)的低等待時(shí)間數(shù)據(jù)。保安系統(tǒng)中采用時(shí)隙分配的應(yīng)用數(shù)據(jù)。這些應(yīng)用使用有保證的時(shí)隙(GTS)功能。局域網(wǎng)協(xié)調(diào)器為每個(gè)設(shè)備定義了一段專用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)無爭(zhēng)用、無等待的數(shù)據(jù)傳輸。
　　
　　應(yīng)用實(shí)例

　　在一個(gè)典型的家庭網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，協(xié)調(diào)器通過開關(guān)(終端設(shè)備)對(duì)照明或家用電器(路由器)進(jìn)行控制。以簡(jiǎn)單的照明控制為例，需要3塊電路板。電路的核心是單片IEEE 802.15.4無線控制芯片，它整合了32位RISC芯核和標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz收發(fā)器功能，還集成了64KB ROM和96KB RAM。微控制器是個(gè)高集成度器件，內(nèi)部RAM支持協(xié)調(diào)器和路由器功能而無需外部SRAM。它還內(nèi)置集成化硬件MAC和休眠振蕩器和節(jié)能器件。構(gòu)成完整的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還需附加的晶振、閃存、去耦元件和印制天線(見圖2)

　　上面已提及，PHY功能和軟件MAC集成在無線控制芯片上，而軟件MAC和應(yīng)用層則在外部控制器執(zhí)行。此外，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用產(chǎn)品還要提供一套庫功能，包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)器和典型的傳感器與控制驅(qū)動(dòng)器。

　　本文描述的無線照明控制應(yīng)用執(zhí)行ZigBee家庭控制照明(HCL)配置文件。協(xié)調(diào)器自動(dòng)地執(zhí)行協(xié)議棧軟件，完成各種動(dòng)作，如允許設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)、分配地址，將端點(diǎn)捆綁到其它節(jié)點(diǎn)，傳送數(shù)據(jù)。這些操作對(duì)用戶是透明的，以盡可能地簡(jiǎn)化應(yīng)用程序。開關(guān)傳感器扳用作網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，照明燈傳感器板是路由器，其軟件搜尋網(wǎng)絡(luò)、請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，然后再發(fā)送請(qǐng)求將它們捆綁在一起。

　　本應(yīng)用使用簡(jiǎn)單的捆綁技術(shù)，當(dāng)協(xié)調(diào)器收到2個(gè)終端設(shè)備捆綁請(qǐng)求后，立即進(jìn)行配比，如果配比成功，就將它們加入捆綁表中。配比是在相同的輸入和輸出聚類表的端點(diǎn)間進(jìn)行的。一旦一對(duì)端點(diǎn)捆綁后，就可以從任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包自動(dòng)地發(fā)送至協(xié)調(diào)器，經(jīng)查找捆綁表找到目的地后，將數(shù)據(jù)中繼至該地址。