ZigBee無線網(wǎng)絡設計

　　ZigBee協(xié)議一個全球化的開放性標準，以實現(xiàn)測、控功能的眾多應用提供低功耗的無線連接。ZigBee以靈活的、可擴充的網(wǎng)絡拓撲、便于安裝的綜合設置和智能路由技術(shù)、高防故障能力，增強了IEEE802.15.4功能。ZigBee還具有嚴格的安全措施，可以和其它無線技術(shù)，如藍牙和WiFi等在同一個工作環(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)。標準無線控制模塊在0dBm輸出功率時，室外工作距離可達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，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，的網(wǎng)形，簇樹形拓撲結(jié)構(gòu)還能進一步增加工作距離。

　　通信的安全性與可靠性

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

　　其次，它的傳輸采用帶沖突避免的載波偵聽、多點接入方案。簡單地說，節(jié)點在發(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)點延時后再次偵聽，這樣反復進行直到信道暢道為止才開始發(fā)送消息。其次，消息到達目的地后，接收設備要送一個確認信號來表示消息已經(jīng)收到。如果發(fā)送設備沒有收到確認信號，它將在一定時間間隔內(nèi)再次發(fā)送原有的消息。

　　ZigBee內(nèi)設"安全工具箱"來提供高安全性，主要措施有：

　　·接入控制表：只有預定義的"友好"節(jié)點才能加入網(wǎng)絡；

　　·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。

　　·消息更新定時器：拒絕超時消息，防止外侵消息攻擊網(wǎng)絡。

　　網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

　　ZigBee網(wǎng)絡有三種拓撲形式：星形、簇樹形和網(wǎng)形(圖1)。消息從一個節(jié)點如何路由至另一個節(jié)點完全取決于網(wǎng)絡拓撲。星形網(wǎng)絡有一個中心節(jié)點，所有消息都經(jīng)它傳輸。簇樹形網(wǎng)絡有一個頂端節(jié)點，下面有枝有葉，消息先上行再下傳。網(wǎng)形網(wǎng)絡與簇樹形相似，但它的某些枝、葉可直接鏈接。

　　網(wǎng)絡的基本單元是節(jié)點，單一網(wǎng)絡最多可設65535個節(jié)點。按功能區(qū)分，有簡化功能設備(RFD)和全功能設備(FFD)。前者按最少RAM和ROM資源實現(xiàn)的，設計成網(wǎng)絡中簡單的收/發(fā)節(jié)點。它能搜索現(xiàn)成網(wǎng)絡，必要時傳輸應用數(shù)據(jù)，向網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器請求數(shù)據(jù)，多數(shù)時間處于休眠狀態(tài)以節(jié)省電池功耗。后者可用作網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，連接協(xié)調(diào)器或另一個通信設備。它還能發(fā)現(xiàn)其它RFD和FFD建立通信聯(lián)系。

　　在具體網(wǎng)絡中，邏輯設備類型是ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee路由器和ZigBee端點設備。協(xié)調(diào)器啟動網(wǎng)絡、管理網(wǎng)絡節(jié)點、存儲網(wǎng)絡節(jié)點信息。它還能提供路由消息、安全管理和其它服務。路由器與網(wǎng)絡中成對節(jié)點的消息路由，可讓子節(jié)點與它連接。終端節(jié)點不能傳輸消息，也不能連接其它子節(jié)點，它的主要任務是發(fā)送與接收消息。

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

　　應用數(shù)據(jù)類型

　　ZigBee網(wǎng)絡應用廣泛，應用不同，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用定義的數(shù)據(jù)。這類數(shù)據(jù)由信標系統(tǒng)處理的，ZigBee的MAC具有用于時間同步的帶信標超幀結(jié)構(gòu)，在規(guī)定時間喚醒傳感器，檢測信標，交換數(shù)據(jù)，然后再次進入休眠狀態(tài)。

　　·間歇性數(shù)據(jù)。無線照明控制或外部激勵應用數(shù)據(jù)。在無信標或斷開連接系統(tǒng)中處理數(shù)據(jù)，設備僅在需要通信時接入網(wǎng)絡。

　　·重復的低等待時間數(shù)據(jù)。保安系統(tǒng)中采用時隙分配的應用數(shù)據(jù)。這些應用使用有保證的時隙(GTS)功能。局域網(wǎng)協(xié)調(diào)器為每個設備定義了一段專用時間，實現(xiàn)無爭用、無等待的數(shù)據(jù)傳輸。

　　應用實例

　　在一個典型的家庭網(wǎng)絡環(huán)境中，協(xié)調(diào)器通過開關(guān)(終端設備)對照明或家用電器(路由器)進行控制。以簡單的照明控制為例，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芯核和標準的2.4GHz收發(fā)器功能，還集成了64KB ROM和96KB RAM。微控制器是個高集成度器件，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)絡節(jié)點還需附加的晶振、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和應用層則在外部控制器執(zhí)行。此外，構(gòu)建網(wǎng)絡應用產(chǎn)品還要提供一套庫功能，包括設備驅(qū)動器和典型的傳感器與控制驅(qū)動器。

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

　　本應用使用簡單的捆綁技術(shù)，當協(xié)調(diào)器收到2個終端設備捆綁請求后，立即進行配比，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間進行的。 一旦一對端點捆綁后，就可以從任意一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包自動地發(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。