Zigbee框架體系結構及組網技術的研究及應用

單洪偉，費琳琳

（日照職業技術學院 山東 日照 276800）

Zigbee框架體系結構及組網技術的研究及應用

單洪偉，費琳琳

（日照職業技術學院 山東 日照 276800）

基于Zigbee網絡的分層網絡框架體系結構和以IEEE802.15.4為基礎的協議棧架構，采用理論介紹和實驗驗證相結合的方法，首先對Zigbee網絡框架結構體系進行了介紹，接著通過無線控制開關與照明設備間的無線連接方式和路由選擇實驗，來驗證Zigbee網絡的自主搜索、自主組網的技術特點，最后得出Zigbee作為一種新型的無線網絡形式，在無線物聯傳感方面有巨大的優勢，必將在無線傳感網絡中獲得更廣泛的應用。

物聯網；IEEE802.15.4協議；網絡自愈；數據采集

在過去的幾年里，隨著信息技術的發展，計算機、網絡已經成為人們日常生活的一部分。相對于有線和遠距離無線傳輸的不方便和昂貴資費，人們提出在自身周邊幾米或者幾十米范圍之內短距離通信的需求，需求推動科技發展。于是出現了無線個人區域網絡（Wireless Personal Area Network,WPAN）的概念。WPAN網絡為短距離范圍內的網絡設備建立無線連接，把幾米或者幾十米范圍內的多個網絡設備通過無線的方式連接在一起，使它們可以相互通信甚至可以通過某個設備接入局域網（LAN）或Internet。短距離、無線通訊技術一時風起云涌，成為信息通訊技術研究和發展的熱點。各種新的無線通訊技術層出不窮，無線局域網絡日漸走入人們的生活。Wi-Fi、藍牙（Blue Tooth）、WLAN，Zigbee，紅外線等無線技術相繼出現，也逐漸為人們所熟知。無可否認，各種無線技術在市場化的過程中展現了具大的應用潛力，但于此同時，各種無線鏈接方式的優缺點也都飽受詬病。就像Wi-Fi的穿透性、距離；藍牙的傳輸速度、紅外線的無障礙、直線要求。就現在移動公司大力推廣的、如日中天的WLAN來說，區域范圍小和基礎布置的高費用也一直困擾著管理者和使用者。各種無線網絡要求都在努力追尋適合自己的無線網絡傳輸方式。

伴隨著物聯中國（IOT China）概念的提出，物聯網（The Internet of Things）作為一個全新的概念出現在人們的視野中，物聯網所提倡的自動感應、識別技術得到了人們的廣泛關注，無線通訊技術和傳感器技術獲得了飛速發展，無線傳感器網絡在工業生產、軍事探測、智能家居、醫療保健、教育科研中有了更廣泛的應用[1]。工業自動化和家庭智能化對無線數據通信的需求也越來越強烈。低速率、低功耗、可嵌入、網絡自愈力強的無線要求使得在無線網絡傳播中一直默默無聞的Zigbee異軍突起，成為作為無線傳感器網絡的主要支撐技術[2]。

1 Zigbee的框架體系結構

Zigbee是由英文單詞“zig”和“bee”組成的，zig的意思為Z型的轉向，bee為蜜蜂，合起來表示蜜蜂的8字形舞蹈。眾所周知，蜜蜂在發現花粉后會通過一種特殊的飛行動作語言來告知同伴新發現的花粉的位置信息，這種肢體語言就是Zigbee舞蹈，是蜜蜂之間一種簡單傳達信息的方式。人們用Zigbee來命名這種無線通訊方式，也是因為Zigbee也有蜜蜂8字舞一樣近距離、低復雜度、自組織的特點[3]。

Zigbee采用了OSI模型體系結構，由稱之為層的各個模塊(實體）組成，不同的模塊（實體）負責不同的功能，每一層為其上一層提供數據整合和傳輸服務。每個服務模塊通過相應的服務接入點SAP（Service Access Point，SAP）為其上層提供數據服務接口，每個服務接入點SAP通過服務原語來完成所對應的功能[4]。通常將Zigbee的協議棧結構分為六層結構，如圖1所示：

圖1 Zigbee協議棧結構圖Fig. 1 Structure diagram of Zigbee protocol stack

1 ) IEEE802.15.4協議

Zigbee采用了OSI的分層結構，其實也可以說是TCP/IP協議的分層結構，因為它只采用了下面兩層，物理層（Physical Layer，PHY）和數據鏈路層（Data Link Layer，DLL）。又將數據鏈路層分成了兩個子層：媒體接入層（Media Access Control，MAC）和鏈路層（Logical Link Control，LLC）。這兩層的協議標準由IEEE802.15.4協議工作小組制定，這也是許多文獻說Zigbee采用IEEE802.15.4協議的原因。

①物理層

物理層是協議的最底層，承擔著和外界進行信息交換的任務，并控制RF收發器工作，還定義了物理層和MAC子層之間的接口。

②MAC子層

MAC子層負責處理所有的物理無線信道訪問，保證MAC協議數據單元在物理層數據服務中正確收發，并產生網絡定位信號，所以MAC在日常中也被人們稱為的網卡地址。另外，MAC還支持個人局域網PAN（Personal Area Network, PAN）連接和退出，并為新加入的PAN提供MAC數據接入鏈接。LLC子層為網絡層提供數據接口[4]。

2 ) Zigbee Alliance標準

Zigbee Alliance在IEEE802.15.4協議的基礎上對網絡層進行了標注化，并在網絡層的基礎上開發了安全層。

①網絡層

網絡層是Zigbee協議棧的核心部分，Zigbee Alliance的大部分工作也都體現在網絡層，網絡層主要實現網絡節點加入或離開，路由查找及傳送數據等功能。

Zigbee的自動組網和網絡自愈功能也主要體現在網絡層。當一個網絡節點加入或者退出時，Zigbee可以自動重新計算網絡，選擇最合適的網絡傳輸線路。如圖：

a）Zigbee可以自動搜索和感知臨近的網絡，形成交互網絡。臺燈與無線開關之間形成網路。

圖2 自動組網示意圖Fig. 2 Automatic network diagram

b）需要信息傳遞時，自動搜尋最合適的網絡。臺頂與開關交互式，自動監測，通過粗的紅色線路形成數據交互鏈路。

圖3 自主選擇路由線路圖Fig. 3 Choose the route diagram

c）當其中某個或多個節點關閉時，Zigbee自動重新鏈接網絡，重新定義線路。當圖中3個藍色節點關閉后，臺燈與無線開關重新定義并鏈接。如圖4所示：

圖4 網絡自愈示意圖Fig. 4 Network self-healing diagram

②安全層

安全層（Security Service Provider，SSP）是Zigbee獨立開發出來進行信息安全驗證的功能模塊，在OSI和TCP/IP模型中都沒有體現。它主要負責實現信息交換的密鑰管理、密鑰存取等功能。

③應用程序接口

應用程序接口（Application Interface，API）負責向用戶提供簡單的應用軟件接口，包括應用子層支持（Application Sub-layger Support，APS）和Zigbee設備對象（Zigbee Device Object，ZDO）等，實現應用層對設備的管理。

應用子層支持（Application Sub-layger Support，APS）提供網絡層與應用層之間的鏈接界面，維持兩個層面之間的鏈接表，并在鏈接之間傳遞信息，并維持建立著一個ASP資訊庫。

Zigbee設備對象（Zigbee Device Object，ZDO）的功能包括起始應用支持層次，網絡層以及安全服務等，并負責建立上層應用所需要的各種資訊，發出或回應上次應用的鏈接要求，發現同一個網絡上的裝置與應用服務、以及為網絡裝置之間建立安全關系等。

2 Zigbee的組網研究

Zigbee的組網一般來說就是指以Zigbee為主要無線傳播技術的無線局域網絡搭建。在無線局域網絡的搭建過程中，一般需要無線信息的接收和發射裝置，信息的調制解調裝置等。

針對Zigbee的網絡組建，Zigbee定義了2種網絡設備：全功能設FFD（Full Functional Device,FFD）和精簡功能設備RFD（Reduced Function Device，RFD）[5]。其中全功能設備FFD具有框架結構中MAC層的全部的網絡功能，即可以用作信息的發射和接受裝置，也可以用作信息的調制解調裝置；而精簡功能設備RFD只提供了MAC的部分功能，即只能進行信息的發射和接受，不能進行信息調制解調。與功能相對應的，全功能設備FFD在網絡鏈接中可以處于任何位置。

針對網絡中各節點的鏈接方式，Zigbee定義了Zigbee網絡的三種拓撲結構。由全功能設備FFD和精簡功能設備RFD的設備功能不難發現，鏈接兩個或兩個以上節點的只能使用全功能設備FFD。所以大部分Zigbee網絡的拓撲結構表示如圖5所示。

圖5 Zigbee網絡拓撲結構圖Fig. 5 Structure diagram of Zigbee network topology

其中：鏈接兩個或兩個網絡節點的節點必須為網絡鏈接設備，可以是網絡交換姐、網橋、集線器等，主要進行網絡搜索和鏈接功能，在Zigbee網絡中可以使用全功能設備FFD，支持任何一種拓撲結構，可以作為網絡中心節點，也可以作為普通節點，并且可以和任何一種設備進行通信。只鏈接一個節點的節點為網絡終端節點，只能使用精簡功能設備RFD，只支持星型網絡結構，作為網絡終端使用。可以和中心節點和其他幾點進行通信，實現網絡信息收發功能[6]。

3 結 論

基于Zigbee網絡的低功耗、低成本、低報文吞吐率，高的網絡自組織、自愈能力強的特點。另外，Zigbee耗電量少，不需要頻繁更換電池，非常適合應用與沒有電源支持的系統和便攜式系統中，因此在傳感器網絡中必將獲得的廣泛的應用。

1 )智能家居系統和樓宇自動化。主要包括家庭無人值守系統，自動感應家庭安全，放火防盜，家庭自動照明、感應系統等。

2 )保健護理系統。在病人的服裝里潛入Zigbee系統模塊，自動檢測采集病人的血壓、心跳、體溫等。做到的病人的醫療情況可以進行24監控，確保醫生隨時掌握病人情況。

3 )工業檢測系統。利用Zigbee和傳感系統可自動收集、分析工業數據，檢測危險信號，做事故的早期預報、高速運行系統的檢測與維修。

4 )現代農業自動管理系統。在現代農業中，自動管理成為農業現代化的一個重要組成。利用Zigbee的大容量信息檢測功能，自動采集土壤濕度、空氣質量、溫度、氣壓等信息，經無線傳輸至中央處理，根據預設信息，提早發現問題，或者對信息進行處理，自動啟動升溫、降水、光照系統等。

[1] 楊東昇.Zigbee樹型路由算法的研究[D].蘭州:蘭州理工大學,2013.

[2] 陳俊儒.數據安全的Zigbee以太網瘦網關設計[D].成都:電子科技大學,2012.

[3] 朱永利,陳濤,郭少杰. Zigbee技術在無線抄表中的應用[J].電力系統通信,2008(8):27-29.

ZHU Yong-li,CHEN Tao,GUO Shao-jie.Application of Zigbee technology in wireless meter reading[J].Power System Communication, 2008(8):27-29.

[4] 周武斌.Zigbee無線組網技術的研究[P].中南大學,2009.

[5] 張素智,李瑞昌.Zigbee無線網絡技術在中央空調計費系統中的應用[J].鄭州輕工業學院學報:自然科學版,2008,6(15):16-18.

ZHANG Su-zhi,LI Rui-chang.Application of Zigbee wireless network technology in central air conditioning billing system[J].Journal of Zhengzhou Institute of Light Industry:Natural Science,2008,6(15):16-18.

[6] 李立軒.基于GPRS的路燈智能控制技術的研究[D].杭州:杭州電子科技大學,2012.

Research and application of Zigbee framework architecture and networking technology

SHAN Hong-wei, FEI Lin-lin
（Rizhao Polytechnic, Rizhao 276800, China）

Based on the hierarchical network structure of Zigbee network and IEEE802.15.4 based protocol stack architecture, adopt theory introduction and experimental verification to look at and appraise union method. First, the Zigbee network frame structure was introduced. Then, through the wireless connection between the wireless control switch and lighting devices and routing experiment, to verify the Zigbee network of independent searching and independent networking technology features. Conclusion that Zigbee as a new type of wireless network, there are great advantage in terms of wireless sensing of Things. It will certainly get a wider range of applications in wireless sensor networks.

The Internet of things; IEEE802.15.4 protocol; network self-healing; data acquisition

TN919.3+4

A

1674-6236(2014)11-0174-03

2014–03–03 稿件編號：201403025

山東省科技廳2013科學技術發展計劃(政策引導類)項目(2013YD01023)

單洪偉(1978—)，男，山東莒縣人，碩士，講師。研究方向：網絡技術。