基于ZigBee的無線傳感器網絡研究

摘要：為了驗證ZigBee協議的有效性，敘述了新型無線ZigBee通信技術，介紹ZigBee協議的結構和特點，基于ZigBee協議的無線網絡設備以及網絡拓撲結構；ZigBee標準協議棧結構及數據在協議棧內部的傳輸機制。以兩個網絡設備成網為例，詳細給出了ZigBee設備形成網絡時，各個設備的工作狀態、設備之間網絡連接過程以及數據幀的發送過程。最后，通過Microchip公司的ZigBee實驗平臺驗證了ZigBee無線星型組網，實驗證明，ZigBee技術是有效的無線傳感器網絡組網技術。
關鍵詞：ZigBee技術；無線傳感器網絡；協議棧；無線星型網絡

0 引言
ZigBee是一種新興的短距離、低功率、低速率的無線接人技術，工作于無須注冊的2．4 GHz ISM頻段，傳輸速率為10～250 Kb／s，傳輸距離為10～75 m。該項技術自2002年起由ZigBee技術聯盟研究開發，采用IEEE 802．15．4標準作為其物理層和媒體接入子層標準、網絡層及上層標準，即ZigBee技術標準。
以傳感器和自組織網絡為代表的無線應用并不需要較高的傳輸帶寬，但卻需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗。因此，迫切需要一種符合傳感器和低端的、面向控制的、應用簡單的專用標準，ZigBee技術的特點使它與無線傳感器網絡完美地結合在一起。本文以ZigBee技術為背景，研究基于ZigBee的無線傳感器網絡。

1 ZigBee網絡設備及網絡拓撲
ZigBee網絡中可同時存在兩種不同類型的設備，一種是具有完整功能的設備(FFD)，一種是簡化功能的設備(RFD)。在網絡中，FFD通常有3種工作狀態：作為個人區域網絡的協調器(PAN)；作為路由器；作為一個終端設備。一個FFD可以同時和多個RFD或多個其他的FFD通信，而對于RFD，它只能和一個FFD進行通信，故只能作為終端設備。
ZigBee協調器，即ZigBee的個域網協調器，是網絡建立的起點，負責網絡的初始化，確定個域網標識符和網絡工作的物理信道，并統籌短地址的分配。ZigBee協調器必須是全功能設備，并且一個網絡只有一個協調器。ZigBee路由器是一個全功能設備，類似于定義的協調器，在接入網路后，它能獲得一定的16位短地址空間。在其通信范圍內，它能允許其他節點加入或者離開網絡，分配及收回短地址，路由和轉發數據。ZigBee終端設備，既可以是全功能設備，也可以是簡化功能設備，它只能與其父節點通信，從其父節點處獲得網絡標識符、短地址等相關信息。
ZigBee網絡由FFD和RFD組成，網絡有兩種拓撲結構：星型拓撲結構和對等拓撲結構。具體拓撲結構如圖1所示。星型拓撲網絡是由一個PAN協調器的中央控制器和多個從設備組成，主協調器必須是一個FFD設備，從設備既可以是FFD也可以RFD；對等網絡拓撲結構也存在協調器，該網絡不同于星型拓撲結構，在該拓撲結構中任何設備只要在其通信范圍之內，就可以和其他設備進行通信。

2 ZigBee協議棧
根據ZigBee聯盟公布的ZigBee技術標準，各個芯片生產廠家都公布了基于自己產品的ZigBee協議棧。有TI公司、AVR公司、Microchip公司等，其中TI公司及Microchip公司開發了源代碼開放的ZigBee協議棧。本文介紹Microchip公司基于ZigBee 2006標準的ZigBee協議棧。