基于ZigBee的WPAN網(wǎng)絡(luò)配置應(yīng)用

信標(biāo)模式下，ZC負(fù)責(zé)以一定的間隔時(shí)間（一般在15ms～4min）向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，2個(gè)信標(biāo)幀發(fā)送之間有16個(gè)相同的時(shí)槽，這些時(shí)槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)2個(gè)部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)的各時(shí)槽內(nèi)發(fā)送。

非信標(biāo)模式下，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用父節(jié)點(diǎn)為ZE子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)，ZE主動(dòng)向其父節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù)的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)ZE的周期性（周期可設(shè)置）休眠。網(wǎng)絡(luò)中所有父節(jié)點(diǎn)需為自己的ZE子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)幀，所有ZE子節(jié)點(diǎn)的大多數(shù)時(shí)間都處于休眠模式，周期性的醒來與父節(jié)點(diǎn)握手以確認(rèn)自己仍處于網(wǎng)絡(luò)中，其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要15ms。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以組織成星型網(wǎng)絡(luò)，也可以組織成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。在星型結(jié)構(gòu)中，所有設(shè)備都與中心設(shè)備PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。在這種網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器一般使用持續(xù)電力系統(tǒng)供電，而其他設(shè)備采用電池供電。星型網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動(dòng)化、個(gè)人計(jì)算機(jī)的外設(shè)以及個(gè)人健康護(hù)理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用。與星型網(wǎng)不同，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)只要彼此都在對(duì)方的無線輻射范圍之內(nèi)，任何2個(gè)設(shè)備都可以直接通信。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中也需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息，認(rèn)證設(shè)備身份等功能。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模式可以支持Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，允許通過多跳路由的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)。不過一般認(rèn)為自組織問題由網(wǎng)絡(luò)層來解決，不在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)討論范圍之內(nèi)。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)造更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，適合于設(shè)備分布范圍廣的應(yīng)用，例如，在工業(yè)檢測(cè)與控制、貨物庫存跟蹤和智能農(nóng)業(yè)等方面有非常好的應(yīng)用背景。

由于樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間路由數(shù)據(jù)包的功能，因而被稱為多跳網(wǎng)絡(luò)，而星形網(wǎng)絡(luò)則被稱為單跳網(wǎng)絡(luò)。和任何網(wǎng)絡(luò)一樣，ZigBee網(wǎng)絡(luò)也是多點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，這意味著網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)對(duì)通信介質(zhì)的訪問是同等的。其有2種類型的多點(diǎn)接入機(jī)制，在沒有使能信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，只要信道是空閑的，在任何時(shí)候都允許所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送。在使能了信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，僅允許節(jié)點(diǎn)在預(yù)定義的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行發(fā)送。協(xié)調(diào)器會(huì)定期以一個(gè)標(biāo)識(shí)為信標(biāo)幀的超級(jí)幀開始發(fā)送，并且希望網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)與此幀同步。在這個(gè)超級(jí)幀中為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配了一個(gè)特定的時(shí)隙，在該時(shí)隙內(nèi)允許節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。超級(jí)幀可能還含有一個(gè)公共時(shí)隙，在此時(shí)，隙內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)接入信道。

雖然網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形成過程屬于網(wǎng)絡(luò)層的功能，但I(xiàn)EEE 802.15.4為形成各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供了充分支持。在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要考慮網(wǎng)絡(luò)容量和時(shí)延。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)容量雖然可以支持到最多65535個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，但每2個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)完成一次通信需要15ms時(shí)間，所以在實(shí)際應(yīng)用中需要考慮網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和響應(yīng)時(shí)間。單點(diǎn)容量大了，覆蓋范圍擴(kuò)充不大；響應(yīng)時(shí)間大了，應(yīng)用業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)不了。這就需要根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的不同，設(shè)計(jì)有效的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣M合來滿足各種不同應(yīng)用。

1 星型網(wǎng)絡(luò)
星形網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)輻射狀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)命令都通過中心節(jié)點(diǎn)傳輸。在這種路由拓?fù)渲?，外圍?jié)點(diǎn)需要直接與中心節(jié)點(diǎn)無線連接，某個(gè)節(jié)點(diǎn)的沖突或者故障將會(huì)降低系統(tǒng)的可靠性。星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，因?yàn)楹苌儆猩蠈訁f(xié)議需要執(zhí)行，設(shè)備成本低、較少的上層路由管理；中心節(jié)點(diǎn)承擔(dān)絕大多數(shù)管理工作，如發(fā)放證書和遠(yuǎn)距離網(wǎng)關(guān)管理等。缺點(diǎn)是：靈活性差，因?yàn)樾枰衙總€(gè)終端節(jié)點(diǎn)放在中心節(jié)點(diǎn)的通信范圍內(nèi)，必然會(huì)限制無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍；而且，集中的信息涌向中心節(jié)點(diǎn)，容易造成網(wǎng)絡(luò)阻塞、丟包、性能下降等情況。

星型網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，因此在星型網(wǎng)絡(luò)的形成過程中，第一步就是建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。任何一個(gè)FFD設(shè)備都有成為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的可能，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)如何確定自己的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由上層協(xié)議決定。一種簡單的應(yīng)用策略是：一個(gè)FFD設(shè)備在第一次被激活后，首先廣播查詢網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的請(qǐng)求，如果接收到回應(yīng)說明網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)存在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，再通過一系列認(rèn)證過程，設(shè)備就成為了這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備。如果沒有收到回應(yīng)，或者認(rèn)證過程不成功，這個(gè)FFD設(shè)備就可以建立自己的網(wǎng)絡(luò)，并且成為這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。當(dāng)然，這里還存在一些更深入的問題，一個(gè)是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器過期問題，如原有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器損壞或者能量耗盡；另一個(gè)是偶然因素造成多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器競(jìng)爭(zhēng)問題，如移動(dòng)物體阻擋導(dǎo)致一個(gè)FFD自己建立網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)移動(dòng)物體離開的時(shí)候，網(wǎng)絡(luò)中將出現(xiàn)多個(gè)協(xié)調(diào)器。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器要為網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符，所有該星型網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都是用這個(gè)標(biāo)識(shí)符來規(guī)定自己的屬主關(guān)系。不同星型網(wǎng)絡(luò)之間的設(shè)備通過設(shè)置專門的網(wǎng)關(guān)完成相互通信。選擇一個(gè)標(biāo)識(shí)符后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器就允許其他設(shè)備加入自己的網(wǎng)絡(luò)，并為這些設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組。星型網(wǎng)絡(luò)中的2個(gè)設(shè)備如果需要互相通信，都是先把各自的數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，然后由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)方。

2 樹狀網(wǎng)絡(luò)
樹狀網(wǎng)絡(luò)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)例子，也是ZigBee典型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在一般的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，任意2個(gè)設(shè)備只要能夠彼此收到對(duì)方的無線信號(hào)，就可以進(jìn)行直接通信，不需要其他設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)。但點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中仍然需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，不過該協(xié)調(diào)器的功能不再是為其他設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而是完成設(shè)備注冊(cè)和訪問控制等基本的網(wǎng)絡(luò)管理功能。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的產(chǎn)生同樣由上層協(xié)議規(guī)定，例如，把某個(gè)信道上第一個(gè)開始通信的設(shè)備作為該信道上的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議器。

在ZigBee的樹狀網(wǎng)絡(luò)中，絕大多數(shù)設(shè)備是FFD設(shè)備，而RFD設(shè)備總是作為樹狀的葉設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中。任意一個(gè)FFD都可以充當(dāng)RFD協(xié)調(diào)器或者網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，為其他設(shè)備提供同步信息。在這些協(xié)調(diào)器中，只有一個(gè)可以充當(dāng)整個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可能和網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備一樣，也可能擁有比其他設(shè)備更多的計(jì)算資源和能量資源。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器首先將自己設(shè)為簇頭（Cluster Header，CLH），并將簇標(biāo)識(shí)符（Cluster Identifier，CID）設(shè)置為0，同時(shí)為該簇選擇一個(gè)未被使用的PAN網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符，形成網(wǎng)絡(luò)中的第一個(gè)簇。接著，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器開始廣播信標(biāo)幀；鄰近設(shè)備收到信標(biāo)幀后，就可以申請(qǐng)加入該簇；設(shè)備可否成為簇成員，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器決定。如果請(qǐng)求被允許，則該設(shè)備將作為簇的子設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的鄰居列表。新加入的設(shè)備會(huì)將簇頭作為它的父設(shè)備加入到自己的鄰居列表中。

上面描述的只是一個(gè)由單簇構(gòu)成的最簡單的樹狀，個(gè)域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以指定另一個(gè)設(shè)備成為鄰接的新簇頭，以此形成更多的簇。新簇頭同樣可以選擇其他設(shè)備成為簇頭，進(jìn)一步擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。但是過多的簇頭會(huì)增加簇間消息傳遞的延遲和通信開銷。為了減少延遲和通信開銷，簇頭可以選擇最遠(yuǎn)的通信設(shè)備作為相鄰簇的簇頭，這樣可以最大限度地縮小不同簇間消息傳遞的跳數(shù)，達(dá)到減少延遲和開銷的目的。