摘要：基于Zigbee網(wǎng)絡的分層網(wǎng)絡框架體系結構和以IEEE802.15. 4為基礎的協(xié)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(wǎng)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(wǎng)絡的自主搜索、自主組網(wǎng)的技術特點，最后得出Zigbee作為一種新型的無線網(wǎng)絡形式，在無線物聯(lián)傳感方面有巨大的優(yōu)勢，必將在無線傳感網(wǎng)絡中獲得更廣泛的應用。

在過去的幾年里，隨著信息技術的發(fā)展，計算機、網(wǎng)絡已經(jīng)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?shù)牟环奖愫桶嘿F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(fā)展。于是出現(xiàn)了無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(Wireless Perso nal Area Network，WPAN)的概念。WPAN網(wǎng)絡為短距離范圍內的網(wǎng)絡設備建立無線連接，把幾米或者幾十米范圍內的多個網(wǎng)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人局域網(wǎng)(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(fā)展的熱點。各種新的無線通訊技術層出不窮，無線局域網(wǎng)絡日漸走入人們的生活。Wi—Fi、藍牙(Blue Tooth)、WLAN，Zig bee，紅外線等無線技術相繼出現(xiàn)，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(xiàn)了具大的應用潛力，但于此同時，各種無線鏈接方式的優(yōu)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(xiàn)在移動公司大力推廣的、如日中天的WLAN來說，區(qū)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(wǎng)絡要求都在努力追尋適合自己的無線網(wǎng)絡傳輸方式。

伴隨著物聯(lián)中國(IOT China)概念的提出，物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things)作為一個全新的概念出現(xiàn)在人們的視野中，物聯(lián)網(wǎng)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(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡在工業(yè)生產(chǎn)、軍事探測、智能家居、醫(yī)療保健、教育科研中有了更廣泛的應用。工業(yè)自動化和家庭智能化對無線數(shù)據(jù)通信的需求也越來越強烈。低速率、低功耗、可嵌入、網(wǎng)絡自愈力強的無線要求使得在無線網(wǎng)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(wǎng)絡的主要支撐技術。

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(fā)現(xiàn)花粉后會通過一種特殊的飛行動作語言來告知同伴新發(fā)現(xiàn)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。

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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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。通常將Zigbee的協(xié)議棧結構分為六層結構，如圖1所示：

1)IEEE802.15.4協(xié)議

Zigbee采用了OSI的分層結構，其實也可以說是TCP/IP協(xié)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(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer，DLL)。又將數(shù)據(jù)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(xié)議標準由IEEE802.15.4協(xié)議工作小組制定，這也是許多文獻說Zigbee采用IEEE802.15.4協(xié)議的原因。

①物理層

物理層是協(xié)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(fā)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(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務中正確收發(fā)，并產(chǎn)生網(wǎng)絡定位信號，所以MAC在日常中也被人們稱為的網(wǎng)卡地址。另外，MAC還支持個人局域網(wǎng)PAN(Personal Area Network，PAN)連接和退出，并為新加入的PAN提供MAC數(shù)據(jù)接入鏈接。LLC子層為網(wǎng)絡層提供數(shù)據(jù)接口。

2)Zigbee Alliance標準

Zigbee Alliance在IEEE802.15.4協(xié)議的基礎上對網(wǎng)絡層進行了標注化，并在網(wǎng)絡層的基礎上開發(fā)了安全層。

①網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層是Zigbee協(xié)議棧的核心部分，Zigbee Alliance的大部分工作也都體現(xiàn)在網(wǎng)絡層，網(wǎng)絡層主要實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點加入或離開，路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能。

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

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

b)需要信息傳遞時，自動搜尋最合適的網(wǎng)絡。臺頂與開關交互式，自動監(jiān)測，通過粗的紅色線路形成數(shù)據(jù)交互鏈路。

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

②安全層

安全層(Security Service Provider，SSP)是Zigbee獨立開發(fā)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(xiàn)。它主要負責實現(xiàn)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 Suppo rt，APS)和Zigbee設備對象(Zigbee Device Object，ZDO)等，實現(xiàn)應用層對設備的管理。

應用于層支持(Application Sub-layger Support，APS)提供網(wǎng)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(wǎng)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(fā)出或回應上次應用的鏈接要求，發(fā)現(xiàn)同一個網(wǎng)絡上的裝置與應用服務、以及為網(wǎng)絡裝置之間建立安全關系等。

2 Zigbee的組網(wǎng)研究

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

針對Zigbee的網(wǎng)絡組建，Zigbee定義了2種網(wǎng)絡設備：全功能設FFD(Full Functional Device，F(xiàn)FD)和精簡功能設備RFD(Reduced Funct ion Device，RFD)。其中全功能設備FFD具有框架結構中MAC層的全部的網(wǎng)絡功能，即可以用作信息的發(fā)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(fā)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(wǎng)絡鏈接中可以處于任何位置。

針對網(wǎng)絡中各節(jié)點的鏈接方式，Zigbee定義了Zigbee網(wǎng)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(fā)現(xiàn)，鏈接兩個或兩個以上節(jié)點的只能使用全功能設備FFD。所以大部分Zigbee網(wǎng)絡的拓撲結構表示如圖5所示。

其中：鏈接兩個或兩個網(wǎng)絡節(jié)點的節(jié)點必須為網(wǎng)絡鏈接設備，可以是網(wǎng)絡交換姐、網(wǎng)橋、集線器等，主要進行網(wǎng)絡搜索和鏈接功能，在Zigbee網(wǎng)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(wǎng)絡中心節(jié)點，也可以作為普通節(jié)點，并且可以和任何一種設備進行通信。只鏈接一個節(jié)點的節(jié)點為網(wǎng)絡終端節(jié)點，只能使用精簡功能設備RFD，只支持星型網(wǎng)絡結構，作為網(wǎng)絡終端使用?？梢院椭行墓?jié)點和其他幾點進行通信，實現(xiàn)網(wǎng)絡信息收發(fā)功能。

3 結論

基于Zigbee網(wǎng)絡的低功耗、低成本、低報文吞吐率，高的網(wǎng)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(tǒng)和便攜式系統(tǒng)中，因此在傳感器網(wǎng)絡中必將獲得的廣泛的應用。

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

2)保健護理系統(tǒng)。在病人的服裝里潛入Zigbee系統(tǒng)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(yī)療情況可以進行24監(jiān)控，確保醫(yī)生隨時掌握病人情況。

3)工業(yè)檢測系統(tǒng)。利用Zigbee和傳感系統(tǒng)可自動收集、分析工業(yè)數(shù)據(jù)，檢測危險信號，做事故的早期預報、高速運行系統(tǒng)的檢測與維修。

4)現(xiàn)代農業(yè)自動管理系統(tǒng)。在現(xiàn)代農業(yè)中，自動管理成為農業(yè)現(xiàn)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(jīng)無線傳輸至中央處理，根據(jù)預設信息，提早發(fā)現(xiàn)問題，或者對信息進行處理，自動啟動升溫、降水、光照系統(tǒng)等。