Zigbee節(jié)點設備地址分配算法應用研究

摘要：ZigBee通信協(xié)議采用分布式地址分配機制給網(wǎng)絡中每個節(jié)點設備分配網(wǎng)絡地址，本文在深入研究Zig Bee設備地址分配算法的基礎上，以Zig Bee應用最為廣泛的樹簇拓撲網(wǎng)絡結構為例，組建一個包括Zig Bee協(xié)調器節(jié)點、路由節(jié)點及終端設備節(jié)點等完整結構的Zig Bee無線網(wǎng)絡，給出了詳細的節(jié)點設備地址分配計算方法及實現(xiàn)流程。

關鍵詞：Zig Bee技術;樹簇拓撲;設備節(jié)點地址分配

中圖分類號：TP212 ? ?文獻標識碼： A

文章編號：1009-3044（2020）28-0074-03

Abstract： ZigBee communication protocol uses distributed address allocation mechanism to assign network address to each node in the network. In this paper， based on the in-depth study of ZigBee device address allocation algorithm， taking ZigBee tree cluster topology network structure which is the most widely used as an example， a ZigBee wireless network including ZigBee coordinator node， routing node and terminal device node is established The detailed calculation method and implementation process of node device address assignment are given.

Key words： Zig Bee;cluster tree network;node address assignment

ZigBee技術是一種近距離、低成本、低功耗、低速率的無線通信技術[1]，該技術面向的主要領域是低速個人無線區(qū)域網(wǎng)，符合IEEE802.15.4標準，主要適用于監(jiān)控、工業(yè)應用、家庭自動控制（智能家居）以及設備遠程控制，目的是滿足小型低價設備的無線連接和控制。

本文深入地研究了Zig Bee網(wǎng)絡拓撲結構及Zig Bee地址分配機制，以Zig Bee應用最為廣泛的樹簇拓撲網(wǎng)絡結構為例，組建一個包括Zig Bee協(xié)調器節(jié)點、路由節(jié)點及終端設備節(jié)點等完整結構的ZigBee無線網(wǎng)絡，給出了詳細的節(jié)點設備地址分配計算方法及實現(xiàn)流程。

1 Zigbee網(wǎng)絡拓撲結構的選擇

Zigbee網(wǎng)絡層協(xié)議同時支持星型、樹簇型和MESH網(wǎng)（對等網(wǎng)）等三種拓撲形式。樹簇網(wǎng)可連接的Zig Bee節(jié)點數(shù)較多，網(wǎng)絡穩(wěn)定性較好，兼具星型拓撲結構和對等網(wǎng)拓撲的優(yōu)點，所以在Zig Bee應用中一般可采用樹簇拓撲組建網(wǎng)絡。如圖1所示。為采用Zig Bee樹簇結構的網(wǎng)絡節(jié)點拓撲圖。其中，協(xié)調器節(jié)點承擔組建Zig Bee網(wǎng)絡任務，是整個網(wǎng)絡的中心節(jié)點，如果整個系統(tǒng)中，除了Zig Bee外還有其他通信標準，比如GPRS，則Zig Bee還將充當網(wǎng)關節(jié)點功能。路由節(jié)點負責網(wǎng)絡路由，中轉監(jiān)控數(shù)據(jù)，也可承擔終端節(jié)點的功能。

圖1所示結構中，包括協(xié)調器節(jié)點一個，根路由節(jié)點一個，根路由節(jié)點下有子路由節(jié)點N1個，其中，路由節(jié)點11和路由節(jié)點12不同，路由節(jié)點11下面除了掛接N2 ?個子路由節(jié)點外，還掛接了M1個終端節(jié)點;路由節(jié)點12下面只直接掛接了N3個子路由節(jié)點。在計算終端節(jié)點設備地址時，必須根據(jù)其父路由節(jié)點連接設備類型情況來進行判斷，計算方法在下面進行介紹。

2 巡更設備節(jié)點地址分配[3～5]

在協(xié)調器節(jié)點設備初始化時，應將其網(wǎng)絡層NIB屬性的nwkUseTreeAlloc的值設定為TRUE（即nwkUseTreeAlloc=TRUE）。

（1）確定參數(shù)Cm、Lm、Rm值

首先，應根據(jù)設備拓撲結構關系圖得出如下三個關鍵參數(shù)值：

1）Cm：nwkMaxChildren的簡寫，表示Zig Bee網(wǎng)絡中單個設備最多允許的子設備數(shù)。

根據(jù)圖1，要確定Cm值，在不考慮設備可擴展的情況下，由拓撲結構，需要比較下面數(shù)的最大值max{（M1+N2），N1，N3，M2，M3}。

2）Lm：nwkMaxDepth的簡寫，表示Zig Bee網(wǎng)絡的最大深度

在計算Zig Bee網(wǎng)絡的最大深度時，只考慮協(xié)調節(jié)點和路由節(jié)點，不應包括Zig Bee終端節(jié)點設備，因此，根據(jù)圖1的拓撲圖，包括一層協(xié)調節(jié)點和三層路由節(jié)點，因此當前網(wǎng)絡的最大深度為Lm=4。

3）Rm：nwkMaxRouters的簡寫，表示Zig Bee設備中子設備中最多允許的路由數(shù)。

要確定Rm值，在不考慮設備可擴展的情況下，由拓撲結構，需要比較下面數(shù)的最大值max{N1，N2，N3}。

在本案例中，不考慮未來設備節(jié)點的擴展，設N1=2，N2=N3=3，M1=M3=3，M2=5，子路由節(jié)點112～11N2最大可掛接終端節(jié)點數(shù)同111，子路由節(jié)點121～12N3最大可掛接終端節(jié)點數(shù)同121，則可得Cm= N2+M1 =6，Rm =3。

（2）計算路由節(jié)點偏移量Cskip（d）（包括協(xié)調節(jié)點）

在具體計算每個設備地址之前，需要計算不同網(wǎng)絡深度的偏移量，使用下述公式一：

[Cskip（d）=1+Cm-Rm-Cm×RmLm-d-11-Rm] ? ?（1）

將Cm、Lm和Rm值代入偏移量計算公式中，可算得各不同深度節(jié)點的偏移量Cskip（d）如下表1所示。

（3）分配路由節(jié)點設備地址

將協(xié)調節(jié)點設備視作第0級路由設備，假設有某深度為d的路由節(jié)點L，其父路由節(jié)點的子路由數(shù)為N，L在其兄弟路由節(jié)點中的排序為M（1≤M≤N），則可根據(jù)下述公式二計算路由節(jié)點設備地址：

路由節(jié)點L地址=路由節(jié)點（d-1）分配的節(jié)點地址+1+（M-1）×Cskip（d-1） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

協(xié)調節(jié)點設備地址首先確定為0，然后計算各級路由節(jié)點地址。如表2所示，協(xié)調設備節(jié)點網(wǎng)絡深度d為0，偏移量值Cskip（0） = 79。則由上述公式算得協(xié)調節(jié)點分配的第1個根路由器路由節(jié)點1地址=協(xié)調器節(jié)點地址+1=0+1=1，如果協(xié)調器下還掛接有路由節(jié)點2，則路由器2分配的節(jié)點地址=協(xié)調器節(jié)點地址+1+Cskip（0）=0+1+79=80，第3個路由器地址=協(xié)調器節(jié)點地址+1+2×Cskip（0）=0+1+79×2=159;

路由節(jié)點1的子路由節(jié)點11地址=路由節(jié)點1地址+1 =1+1=2，路由節(jié)點1的子路由節(jié)點12地址=路由節(jié)點1地址+1+Cskip（1） =1+1+25=27;

路由節(jié)點11的子路由節(jié)點111地址=路由節(jié)點11地址+1=3，路由節(jié)點11的子路由節(jié)點112地址=路由節(jié)點11地址+1+Cskip（2）=2+1+7=10，路由節(jié)點11的子路由節(jié)點113地址=路由節(jié)點11地址+1+2*Cskip（2）=2+1+2*7=17;

依次類推，則得到圖1所示巡更系統(tǒng)樹簇拓撲結構中所有路由節(jié)點地址如圖2所示。

終端節(jié)點設備地址按以上公式（3）進行計算，分為如下兩種情況：

1）父路由節(jié)點下除了掛接終端設備節(jié)點外，還有子路由節(jié)點。如圖1中，路由節(jié)點11，除了掛接3個終端節(jié)點外，還掛接3個路由器設備節(jié)點111～113。觀察圖2拓撲結構圖，路由節(jié)點11的子路由數(shù)為3，則參數(shù)Rm=3，路由節(jié)點11的設備地址為2，則[Aparaent]=2，Cskip（2）=7，則路由節(jié)點11掛接的第一個終端節(jié)點設備A1=2+7*3+1=24，第二個終端節(jié)點設備A2=2+7*3+2=25，第三個終端節(jié)點設備A2=2+7*3+3=26。

2）路由節(jié)點下除了終端節(jié)點不掛接子路由節(jié)點，比如路由節(jié)點111、112和121～124，以路由節(jié)點121上所掛接的3個終端節(jié)點設備地址分配為例，因路由節(jié)點121的子節(jié)點中路由器的個數(shù)為0，所以Rm=0，路由節(jié)點121的設備地址為28，則[Aparaent]=28，路由節(jié)點121上掛接的第一個終端節(jié)點設備分配的地址為：28+1*0+1=29，第二個為28+1*0+2=30，即3個終端節(jié)點的地址分別為29、30、31。由上述規(guī)則，整個拓撲網(wǎng)絡分配的終端節(jié)點地址如表2所示（包括前述的協(xié)調節(jié)點和路由節(jié)點設備地址）。

3 總結

本文基于Zig Bee分布式地址分配機制，采用樹簇拓撲組建ZigBee網(wǎng)絡，以一個深度為4的路由、包括21個終端節(jié)點的拓撲結構為例，詳細地分析了協(xié)調節(jié)點、路由節(jié)點和巡更終端節(jié)點的設備地址分配算法，給出了較為詳盡的計算過程。該方法可廣泛應用于采用樹簇拓撲結構組建的Zig Bee網(wǎng)絡應用系統(tǒng)中。

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【通聯(lián)編輯：梁書】