ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓樸與自形成和自愈特性淺析

摘 要：近年來，ZigBee技術(shù)在無線組網(wǎng)通訊中得到廣泛應(yīng)用，尤其在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展中已成為組網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，本文剖析了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備類型及常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對其自形成和自愈特性進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：ZigBee；拓?fù)洌蛔孕纬?；自?/p>

中圖分類號：TP212.9

ZigBee[1]技術(shù)是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線連接。它依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。

IEEE 802.15.4無線網(wǎng)絡(luò)中有兩種設(shè)備類型：全功能設(shè)備（FFD）和半功能設(shè)備（RFD），F(xiàn)FD可以執(zhí)行IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中描述的所有功能，并且可以用作網(wǎng)絡(luò)中的任何角色；另一方面，RFD只有部分功能，例如：FFD可以和網(wǎng)絡(luò)中的任何其他設(shè)備通信，但RFD卻只能和FFD設(shè)備通信。RFD設(shè)備的目的是應(yīng)用于簡單的應(yīng)用中，如打開或關(guān)閉一個開關(guān)。RFD設(shè)備的處理能力和內(nèi)存大小通常小于那些FFD設(shè)備。

在一個IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中[2]，F(xiàn)FD設(shè)備能擔(dān)任三種不同的角色：Coordinator、PAN Coordinator和Device。Coordinator是一個FFD，能夠轉(zhuǎn)播消息。如果Coordinator同樣也是個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的主要控制器，那么稱其為PAN Coordinator。如果一個設(shè)備不是充當(dāng)Coordinator，那么我們把它叫做Device。

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)使用稍微不同的術(shù)語。ZigBee Coordinator是一個IEEE 802.15.4的PAN Coordinator；ZigBee Router是一個可以充當(dāng)IEEE 802.15.4 Coordinator的設(shè)備；最后，ZigBee End Device既不是Coordinator也不是Router，ZigBee End Device具有最小的內(nèi)存大小和最弱的處理能力和特性，End Device通常是一個網(wǎng)絡(luò)中最便宜的設(shè)備。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。網(wǎng)絡(luò)組成是由ZigBee網(wǎng)絡(luò)層來管理的，其網(wǎng)絡(luò)必須是IEEE 802.15.4兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌盒切秃忘c對點型中的一種。如圖2所示的星型拓?fù)渲?，每一個設(shè)備都只能和PAN Coordiantor通信，組成星型網(wǎng)絡(luò)的一個典型案例就是一個FFD被編程為一個PAN Coordinator，并且被激活開始建立其自己的網(wǎng)絡(luò)。該PAN Coordinator做的第一件事情是選擇一個在其射頻覆蓋范圍內(nèi)沒有被其他網(wǎng)絡(luò)使用的特殊PAN標(biāo)識符，在該射頻覆蓋范圍內(nèi)無線電之間可以成功的進(jìn)行相互通信。換句話說，它保證了PAN標(biāo)識符沒有被其他相鄰的網(wǎng)絡(luò)所使用。

在點對點拓?fù)渲校ㄈ鐖D2所示），如果兩個設(shè)備放置的距離足夠近來成功的建立通信鏈接的話，那么他們之間可以直接通信。在點對點網(wǎng)絡(luò)中，任何FFD都可以充當(dāng)PAN Coordinator的角色。看哪一個設(shè)備是PAN Coordinator的方法是看哪個FFD設(shè)備是最先作為PAN Coordinator進(jìn)行通信的。在點對點網(wǎng)絡(luò)中，所有參與轉(zhuǎn)發(fā)信息的設(shè)備都是FFD設(shè)備，因為RFD設(shè)備不能夠傳播消息。不過，RFD也能夠成為網(wǎng)絡(luò)中一部分，并且可以和網(wǎng)絡(luò)中的一種特殊設(shè)備（Coordinator或Router）通信。

也展示了為什么轉(zhuǎn)發(fā)信息有助于擴展網(wǎng)絡(luò)范圍，甚至繞過障礙物。例如，設(shè)備A需要發(fā)送一條信息到設(shè)備B，但它們之間有障礙物，信號難以穿透。這時樹形拓?fù)渚涂梢酝ㄟ^轉(zhuǎn)發(fā)信息繞過障礙物來幫助其到達(dá)設(shè)備B。這有時也被叫做multihopping，因為信息從一個節(jié)點跳到另一個節(jié)點直到到達(dá)目的地為止。更廣的覆蓋范圍取決于潛在高信息延遲消耗。

不考慮拓?fù)涞脑?，一個IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)總是由一個PAN coordinator所創(chuàng)建，PAN coordinator控制網(wǎng)絡(luò)并且履行下面最小職責(zé)：

（1）為網(wǎng)絡(luò)中每個設(shè)備分配一個唯一地址（16位或64位）。

（2）初始化、中止、發(fā)送整個網(wǎng)絡(luò)中的信息。

（3）為網(wǎng)絡(luò)選擇一個唯一的PAN標(biāo)識符。該標(biāo)識符運行同一個網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備使用16位短地址尋址方法，并且能夠通過獨立的網(wǎng)絡(luò)與其他設(shè)備通信。

ZigBee的自形成和自愈特性。像前面所討論的，ZigBee網(wǎng)絡(luò)一激活就開始網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。例如，在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，第一個開始通信的FFD設(shè)備將自己設(shè)置為ZigBee Coordinator，然后其他的設(shè)備通過發(fā)送建立連接請求來加入網(wǎng)絡(luò)，因為不需要其他額外的管理來建立一個網(wǎng)絡(luò)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)是自動形成的網(wǎng)絡(luò)。

另一方面，當(dāng)一個網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)建立時，通常有不止一種方法可以將信息從一個設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)到另一個。當(dāng)然，會由最佳的路徑來轉(zhuǎn)發(fā)這條消息，然而，當(dāng)其中的一個路由器因為電池電量用完或有障礙物擋住信息的傳播路徑而停止工作時，網(wǎng)絡(luò)會選擇另一條路徑。這就是ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)自愈特性的一個例子。

ZigBee被認(rèn)為是一種ad hoc無線網(wǎng)絡(luò)。在ad hoc無線網(wǎng)絡(luò)中，一些無線節(jié)點為其他設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。將信息從源頭發(fā)送到目的地的路徑是基于網(wǎng)絡(luò)連通性而動態(tài)選擇的，如果網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變了，那么可能也有必要改變網(wǎng)絡(luò)路徑。這是和其他一些帶基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌煌?，在這些網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校恍┲付ǖ脑O(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中總是充當(dāng)路由器的角色。

參考文獻(xiàn)：

[1]Bo Chen，Mingguang Wu，Shuai Yao.ZigBee Technology and its application on Wireless Meter-reading System，Industrial Informatics[J].2006 IEEE International Conference，2006：1257-1260.

[2]G.Ding，Z.Sahinoglu，Orlik.Tree-Based Data Broadcast in IEEE 802.15.4 and Zigbee Networks[J].Mobile Computing，IEEE Transactions，2006（11）：1561-1574.

作者單位：成都學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610106