（控制科学与工程专业论文）zigbee无线组网技术的研究.pdf

摘要 z i g b e e 是一种新兴的专为低速率无线个域n ( l r w p a n ) - 而设计 的低成本、低功耗的短距离无线通信协议，能够广泛的应用于军事， 工业，智能家居等领域。但由于z i g b e e 技术出现较晚，其规范及应 用仍在不断的完善和发展之中。 通过对z i g b e e 协议的网状网络组网方案的研究及仿真分析，提 出了改进的组网方案，简化了原方案中入网的流程，减小协调器对节 点加入的处理时间。仿真发现改进的组网方案能有效的减少了入网延 迟，避免了冲突。 针对a o d v 算法高控制开销的不足，提出了基于最快路径的 a o d v j r 算法，通过简化路由发现和路由表、删除h e l l o 消息以达到 降低控制开销的目的。为了更进一步达到低控制开销的目的，本文提 出a o d v j r 算法和c l u s t e r - t r e e 算法相结合的z b r 路由算法，该算法 既具有a o d v j r 的路由寻优的能力，又具有c l u s t e r t r e e 算法的无初 始延迟的优点。通过仿真表明，改进的算法能够较好的达到设计要求， 具备了实现的可行性。 本文最后利用改进的组网方案和z b r 路由算法，首先利用n s 2 软件对一个完整的z i g b e e 网络的组网过程进行仿真，然后在 j e n n i e 5 1 3 9 开发板上实现了一个简单的网状网络，并对该网络做了相 关的测试。 关键词组网方案，a o d v j r ，z b r ，n s 2 仿真，j n 5 1 3 9 a bs t r a c t z i g b e ei sa n e ww i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，f o c u s e so nt h e f i l e d so fl o w c o s t ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，s h o r td i s t a n c e ，a n de s p e c i a l l y f o rt h el o w r a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k ( l r w p a n ) i tw i d e l y u s ei nm i l i t a r y 、i n d u s t r ya n di n t e l l i g e n c eh o m ee t c h o w e v e r , d u et ol a t e e m e r g e n c eo fz i g b e et e c h n o l o g y , t h es p e c i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o ni ss t i l l c o n t i n u o u si m p r o v i n ga n dd e v e l o p i n g t h ep 印e rr e s e a r c h e sa n ds i m u l a t e st h em e s hn e t w o r ke s t a b l i s h m e n t p r o g r a mu n d e rt h ez i g b e ep r o t o c o l ，a n dt h e np r o p o s e sa ni m p r o v e m e n t p r o g r a m b ys i m p l i f y i n gt h ep r o c e s sa n dr e d u c i n gt h ec o o r d i n a t o rt oj o i n o nt h en o d e sp r o c e s s i n gt i m e t h es i m u l a t i o nf o u n dt h a tt h ei m p r o v e d p r o g r a mc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ed e l a ya n da v o i dc o n f l i c t a g a i n s tt h ea o d va l g o r i t h mf o rt h ei n a d e q u a c yo ft h eh i 曲c o n t r o l o v e r h e a d ，s oh e r ep r o p o s e sa l li m p r o v e m e n tr o u t i n ga l g o r i t h m ，n a m e d a o d v j r t h ea o d v j ra l g o r i t h mb a s e so nt h ef a s t e s tp a t hr o u t i n gb y s i m p l i f y i n gt h er o u t i n gd i s c o v e r ya n dr o u t i n gt a b l e ，d e l e t et h eh e l l o m e s s a g ei no r d e rt oa c h i e v et h ep u r p o s eo fr e d u c i n gc o n t r o lo v e r h c a d t o f u r t h e ra c h i e v et h el o wc o n t r o lo v e r h c a d ，t h ep a p e ru s e st h ez b r r o u t i n g a l g o r i t h mw h i c hc o m b i n a t e st h ea o d v j ra l g o r i t h ma n dc l u s t e r - t k e a l g o r i t h m t h ez b r i sa c o m p r o m i s eo ft h et w oa l g o r i t h m s ，n o to n l yh a s t h ea b i l i t yo fr o u t i n go p t i m i z a t i o no ft h ea o d v j r , b u ta l s ot h ea d v a n t a g e o ft h ec l u s t e r - t r e es u c ha ss i m p l ea n dn oi n i t i a ld e l a y t h es i m u l a t i o n s h o w st h a tt h e i m p r o v e da l g o r i t h m c a nb e t t e rm e e tt h e d e s i g n r e q u i r e m e n t s ，w i t ht h ef e a s i b i l i t yo fa c h i e v i n g 1 1 ，t h ep 印e rs i m u l a t e ： l p l e t ez i g b e en etworkhen t h ep e rs i m u l a t e sac o m o l e t ez i g b e en e t w o r ko r o c e s sb a s e d l ，a p o nt h en s 2a n db u i l d sas i m p l e z i g b e em e s hn e t w o r ko nj n 5 139 d e v e l o p m e n tb o a r du s i n gt h ei m p r o v e dp r o g r a m sa n dz b ra l g o r i t h m a n dt h e nd ot h er e l e v a n tt e s t e so nt h i sm e s hn e t w o r kt ov e r i f yt h ew o r k d o n eb yt h ep r e v i o u sc h a p t e r s k e yw o r d sn e t w o r ke s t a b l i s h m e n tp r o g r a m ，a o d v j r , z b r , n s 2 s i m u l a t i o n ，j n 5 13 9 i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 研触嗍手心血 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 叫姆翩签湃隰珥年上月丛日 硕+ 学位论文第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 过去若干年以来，通信技术快速发展，短距离无线通信技术已经成为通信技 术中的一大热点。各种网络终端的出现、工业控制的自动化和家庭的智能化等迫 切需要一种具备低成本、低距离、低功耗和组网能力强等优点的无线互连标准【l 】o 随着各种便携式个人通信设备与家用电器设备的增加，人们享受蜂窝移动通 信系统带来的便利的同时，对短距离的无线与移动通信又提出了新的需求，使得 短距离无线通信异军突起，包括无线局域网( w l a n ) 、蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术、无 线保真( w i f i ) 、超宽带( u w b ) 以及z i g b e e 技术等各种热点技术相继出现，均展现 出各自巨大的应用潜力。其中，低速率、低功耗、低成本的z i g b e e 技术作为无 线传感器网络的主要支撑技术获得广泛的关注 2 1 。z i g b e e 作为一种新兴的短距离 无线通信技术，正有力地推动着低速率无线个人区域网络l r w p a n ( l o w r a t e w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 的发展，可以广泛应用于工业控制、家庭自动化、 医疗护理、智能农业、消费类电子和远程控制等领域，将拥有广阔的应用前景。 预计随着z i g b e e 技术以及相关技术的发展，低速率应用将日益广泛，在我们的 生活中扮演越来越重要的角色【3 1 。 z i g b e e 的提出弥补了短距离无线通信技术应用研究的空白，现在该技术已 经成为研究的新热点，在不久的未来，基于z i g b e e 技术的产品将会形成一个新 的浪潮，势不可挡地席卷全球，而它的发展前景将同计算机、互联网一样融入人 们生活的每一个角落，给人们的生活带来方便和快捷1 4 1 。研究z i g b e e 组网技术， 可为下一步应用打下良好理论基础，方便进行系统设计。本文将结合当今的发展 趋势和z i g b e e 的技术特点，对z i g b e e 做详细的研究和实验开发。 1 2z i g b e e 技术国内外研究概况 国外对z i g b e e 技术的研究起步较早，研究也较成熟。z i g b e e 联盟成立于2 0 0 2 年8 月，为了推动z i g b e e 技术的发展，c h a d & c o n 、e m b e r 、f r e e s c a l e 、h o n e y w l l 、 m o t o r a l a 、p h i l a d d r s 和s a n s u n g 等公司共同成立了z i g b e e 联盟，如今已经吸引了 上百家芯片公司、无线节点公司和开发商的加入，包括有许多i c 设计、家电、 通讯节点、a d d r 服务提供、玩具等厂商，目前该联盟已经包含了1 5 0 多家会员。 并且还有许多厂商已将z i g b e e 纳入产品中1 5 l 。 国内z i g b e e 的研究起步较晚，国内z i g b e e 模块生产厂家一般都受芯片厂家 数量等限制价格，国内市场主要由国外仪器所占领，国内未见成熟的自主研制的 硕十学位论文第一章绪论 z i g b e e 产品，只有一些研究性和简单应用的文章出现于期刊杂志。到目前为止， 国内目前除了成都西谷曙光数字技术有限公司，真正将z i g b e e 技术开发成产品， 并成功地用于解决几个领域的实际生产问题而外，尚未见到其它报道。不过随着 无线技术大趋势的发展，很多高校和研究机构都已经着手无线组网、无线技术应 用方面的研究。特别是与我们同常生活息息相关的近距离无线组网技术的研究和 应用，如中科院计算所的宁波分所就在专门从事无线技术的研究，主要侧重于无 线网络化智能传感器，计算所自行开发可低功耗的c p u 、多点网络动态组网拓 补协议、网络节点管理软件、无线网络化智能传感器操作系统。国内的一些大学， 如浙江大学、山东大学、清华大学等【6 】也在搞z i g b e e 组网和应用的研究，利用 国外厂商的开发平台和芯片建立z i g b e e 网络，并应用于智能家居，无线抄表和 物流管理方面。相信随着无线技术研究的深入，会有更多的国产z i g b e e 和其他 无线产品投入市场。 从z i g b e e 协议规范的研究及完善方面来看，z i g b e e 协议规范从推出至今， 已有大量研究者对z i g b e e 网络的时间同步【7 1 、广播问题【羽、安全机制【9 】等进行了 研究，并且z i g b e e 协议正在继续改进并将提供更多的功能，但目前仍然存在一 些问题，主要包括以下几个方面【l o j ： 1 网络地址 在z i g b e e 网络中分配给节点的网络地址可以改变，甚至在某些条件下会重 名。这就使得网络必须解决不可靠的寻址机制，以确保将数据发送到正确的节点 中。z i g b e e 联盟正在考虑改变寻址机制，以提供更具鲁棒性的寻址机制。同时， 包括m a x s t r e a m 在内的一些模块提供商研发出了基于唯一性6 4 位地址的解决方 案，能确保可靠的数据传输。 2 固定工作信道 由于z i g b e e 采用8 0 2 1 5 4m a c p h y 规范中所规定的直序扩频( d s s s ) 调制， 因此可以工作在固定信道，在通过能量扫描筛选出具有较高能量的信道后选出工 作信道。但是，一旦初始能量扫描完成后，在所选的信道质量变坏时z i g b e e 网 络无法重置新的信道。因为有许多节点( 包括蜂窝电话、微波和8 0 2 1 1 网络) 占用 2 4 g h z 频段，因此这可能是一个大问题。目前，终端节点开发商必须在其设计 中解决干扰问题。z i g b e e 联盟也在研究此问题的解决方案。z i g b e e 规范的新版 本可能会解决此问题。 3 容量限制 z i g b e e 刚开始打算用6 4 kf l a s h 。但是，对于需要可靠的数据传输、网状组 网、更高安全等级、低功率的终端节点等高级应用而言，这一空间将很难满足 8 0 2 1 5 4m a c p h y 、z i g b e e 网络层以及其它所期望的应用功能要求。随着z i g b e e 2 硕十学位论文第一章绪论 的持续发展，先进的应用似乎需要迁移至带有更多闪存的微控制器。 从安全方面来看，由于无线自组织网络使用的共享无线信道存在着安全隐 患，使得无线自组织网络很容易受到攻击并且很难对攻击进行跟踪1 1 1 1 。 从接入控制来看，对接入公平性、多种网络共存、隐藏终端、暴露终端等问 题虽然已提出了很多技术和方法但是依然没有得到完善的解决【1 2 】【1 3 】。 从能量控制来看，由于无线自组织网络的节点没有固定基础设施支持，因此 如何降低网络能量消耗，提高能量效率，以及如何避免网络分割和节点过早死亡 也是研究的重要问题。目前，降低网络能量消耗的主要方法包括选择性的调整节 点接收器到休眠状态、使用可调输出功率的发送器、采用节能型路由掣1 4 】【1 5 】【1 6 】。 就z i g b e e 技术的研究现状来看，z i g b e e 规范及其应用仍在不断的发展和完 善之中，众多厂商、高校和研究机构都对z i g b e e 技术展现了极大的研究兴趣， 进行了大量的研究工作。当前研究的重点主要集中在z i g b e e 技术应用研究和产 品设计、z i g b e e 协议规范的研究及其完善两个方面，主要集中在以下几个方面： 1 z i g b e e 芯片和产品的设计：不少厂商推出了z i g b e e 的产品和全套解决方 案。如f r e e s c a l e 公司的第三代p a d d r 晶片m c l 3 2 2 x ；h e l i c o m m 公司推出的 a d d rl i n k1 2 0 0z i g b e e 开发套件；j e n n i c 公司的j n 5 1 2 1 5 1 3 x 等【1 7 j 。 2 z i g b e e 技术的具体应用研究：目前，不管国内国外，已有大量的研究者 和厂商提出了z i g b e e 可能的应用。如智能家居【1 8 】【l9 1 、智能公交车【2 0 l 、嵌入式方 面【2 1 1 、传感器网络【2 2 】的应用。另外，j e n n i e 公司的j e n n e t 应用在路灯控制、环 境监控、生产线数据收集，以及z i g b e e 结合r f i d 等。 3 z i g b e e 技术扩展研究：z i g b e e 技术和其它技术的结合也是目前研究的一 个热点。如z i g b e e 技术和w e b g p r s 构成的无线网关系纠2 3 l 【2 4 1 、和l i n u x d s p 构成的无线通信系引2 5 j 等。 4 和其它技术共存研究：对z i g b e e 网络与其它无线网络共存的问题也有大 量的研究，如z i g b e e 网络和蓝牙网络共存【2 6 l 、w i f i 的共存与干扰问题f 2 7 1 。 5 网络性能评估：对z i g b e e 网络性能的研究也是一大热点，如研究z i g b e e 底层的8 0 2 1 5 4 标准在竞争时期( c a p ) 的网络吞吐量和能量消耗【2 8 】、z i g b e e 网络 在不同的通信参数下，网络的通信量及稳定性1 2 9 1 、在z i g b e e 网络的低负载的情 况下，调整其活动时期节点的能量消耗，使得网络的生命延长【3 0 】等。 6 路由算法：z i g a e e 的路由是基于a dh o e 按需距离矢量( a o d v 算法) 路 由算法，这样z i g b e e 的网状网络建立与数据传播方式和a dh o e 网络很类似。 而传统的a o d v 算法的路由开销和路由发现可能会干扰网络性能，特别是节点 密集的网络，会直接影响端到端时延和数据包的传递的时延，因此很有必要提高 路由算法的高效性和可扩展性，目前一些国内外期刊和论文针对a o d v 路由算 硕十学位论文 第一章绪论 法提出了一些改进路由算法，如：z i c l ( z i g b e ec l u s t e rl a b e l ) 算法【3 l 】【3 2 1 、 m a c a o d v 算法【”1 、e a o d v l 3 4 】【3 5 】算法、q a o d v l 3 6 1 算法等。 1 3z i g b e e 技术简介 z i g b e e 技术是一种近距离、低成本、低功耗、低数据速率的无线通信技术， z i g b e e 的目标是建立一个无所不在的传感器网络( u b i q u i t o u ss e n s o rn e t w o r k ) ，主 要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中，同时支持地理定位 功能。 1 3 1z i g b e e 技术优势 i e e e 8 0 2 1 5 4 和z i g b e e 从一开始就被设计用来构建包括恒温装置，安全装 置和煤气读数表等节点的无线网络。这是由其主要技术优势决定的【3 7 】： 1 数据传输可靠：z i g b e e 的m a c 层采用c s m a c a 的碰撞避免机制，同 时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲 突；同时，m a c 层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须 等到接收方的确认信息。同时z i g b e e 采用较短的帧格式( 1 2 8 字节) 和c r c 校验 机制来减少无线通信的误码率。 2 功耗低：z i g b e e 技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节电池支 持长达6 个月到两年的试用时间。而蓝牙能工作数周、w i f i 可工作数小时。 3 成本低：z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且 免收专利费，目前低速低功耗的u w b 芯片组价格至少为2 0 美元，而z i g b e e 的 价格仅为几美分。 4 网络容量大：每个z i g b e e 网络最多可支持2 5 5 个节点，加上网络的协调 器可以互相连接，整个z i g b e e 网络节点的数目将十分可观。一个区域内可以同 时存在最多1 0 0 个z i g b e e 网络，理论上可容纳6 5 5 3 5 个节点。 5 安全：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用a e s 1 2 8 加密算 法。 6 有效范围小：有效覆盖范围1 0 - - 7 5 米之间，具体依据实际发射功率的大 小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。 7 兼容性：z i g b e e 技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器 自动建立网络，采用载波侦听冲突检测( c s m a c a ) 方式进行信道接入。为了 可靠传递，还提供全握手协议。 4 硕十学位论文第一章绪论 1 3 2z i g b e e 的应用 z i g b e e 技术主要应用在短距离无线网络通信方面。通常，符合如下条件之一 的应用，就可以考虑采用z i g b e e 技术做无线传输【3 8 】： 1 需要数据采集或监控的网点多； 2 要求传输的数据量不大，而要求节点成本低： 3 要求数据传输可性高，安全性高； 4 节点体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块； 5 电池供电； 6 地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖； 7 现有移动网络的覆盖盲区； 8 使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。 9 使用g p s 效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。 不远的将来，在很多领域里都可以看到z i g b e e 的身影【3 9 】： 1 智能家庭和楼宇自动化 通过z i g b e e 网络，可以远程控制家里的电器、门窗等；可以方便的采集水、 电、气三表的远程自动抄表；通过一个z i g b e e 遥控器，控制所有的家电节点。 未来的家庭将会有5 0 1 0 0 个支持z i g b e e 的芯片安装在电灯开关、烟火检测器、 抄表系统、无线报警、安保系统、h v a c 、厨房机械中，为实现远程控制服务。 2 在消费和家用自动化市场 可以联网的家用设备有电视、录像机、无线耳机、p c 外设、运动与休闲器 械、儿童玩具、游戏机、窗户和窗帘及其他家用电器等。近年来，由于无线技术 的灵活性和易用性、无线消费电子产品已经越来越普遍，越来越重要。 3 工业自动化领域 在工业自动化领域，利用传感器和z i g b e e 网络，使得数据的自动采集、分 析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。例如危险化学 成分的检测、火警的早期检测和预报、高速旋转机器的检测和维护等。 4 医疗监控 借助于各种传感器和z i g b e e 网络，准确且实时地监测病人的血压、体温和 心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医生作出快速的反应， 特别是对重病和病危患者的监护治疗。 5 农业领域 传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依靠人力监测作 物的生长状况。采用了传感器和z i g b e e 网络后，农业将可以逐渐地向以信息和 软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备 硕十学位论文第一章绪论 来耕种。传感器可以收集包括土壤湿度、氮浓度、p h 值、降水量、温湿度和气 压等信息。这些信息和采集信息的地理位置经由z i g b e e 网络传递到中央控制设 备供农民决策和参考，这样就能够及早而准确的发现问题，从而有助于保持并提 高农作物的产量。 1 4 本文研究内容与工作组织 本文主要对z i g b e e 无线组网技术进行了详细的研究与分析，包括z i g b e e 组 网方案和路由算法的研究与设计，在原有的方案和算法的基础上提出了改进的组 网方案和路由算法；然后通过n s 2 仿真软件进行仿真比较，最后在j n 5 1 3 9 开发 板上利用改进的组网方案和路由算法实现了一个简单的网状网络，并对该网络进 行一系列的测试。 本文主要内容和结构安排如下： 第一章：绪论，主要研究论文的研究背景、国内外研究现状及z i g b e e 的相 关技术等。 第二章：研究z i g b e e 协议栈体系结构及各层的功能、各层之间的数据通信 和网络拓扑结构。在此基础之上深入分析了z i g b e e 网状网络的组网方案，针对 原方案下出现很大的冲突和延迟的问题，提出改进的方案并利用n s 2 软件进行 仿真验证。 第三章：研究和设计z i g b e e 路由算法：包括c l u s t e r - t r e e 路由算法、a o d v 路由算法和改进的a o d v 的a o d v j r 路由算法。结合几种算法性能上的优劣， 本文采用改进的a o d v j r 算法和c l u s t e r - t r e e 算法相结合的z b r 算法。 第四章：利用n s 2 软件分别对上述路由算法的性能进行仿真，并在前面两 章的基础上对z i g b e e 网络的组网过程进行仿真演示。 第五章：在现有的j e n n i e 5 1 3 9 开发平台上，实现一个简单的小型z i g b e e 网 状网络，并进行了相关的测试。 第六章：总结与展望。对全文工作进行了总结，并对以后的研究工作作出了 展望。 6 硕十学位论文 第二章z i g b e e 组网方案的设计 第二章z i g b e e 组网方案的设计 z i g b e e 网络的组网过程是实际应用中非常重要的步骤，本章本文首先对 z i g b e e 协议标准下对网状网络的组网方案( 原组网方案) 进行探讨，之后提出了改 进了组网方案，利用n s 2 仿真软件对两组网方案进行仿真比较。 2 1z i g b e e 协议栈架构 z i g b e e 协议栈标准采用的是o s i 的分层结构，其中物理层( p h y ) 、媒体接入 层( m a c ) 和链路层( l l c ) 由i e e e 8 0 2 1 5 4 工作小组制定，而网络层和应用层则由 z i g b e e 联盟制定【删。z i g b e e 协议栈的体系结构各层的分布如图2 1 【4 。 用户应用程序( u s e r a p p ) 应用层( a p l ) 心用层框架( a p f ) z d o 设备对象 应用子层( a p s ) 网络层( n w k ) 链路层( l l c ) 8 0 2 1 5 4l l c8 0 2 2l l cs s c s 媒体接入层( m a c ) 物理层( p h y x 2 4 g h z 、8 6 8 9 15 m h z ) 图2 - 1z i g b e e 协议栈体系结构 在z i g b e e 协议栈中，其结构包含一系列的层，每一层通过使用下层提供的 服务完成自己的功能，同时向上层提供服务。层与层之间通过服务访问点 s a p ( s e r v i c ea c c e s sp o i n t ) 连接，每一层都可以通过本层与其下层相连的s a p 调 用下层为本层提供服务，同时通过本层与上层相连的s a p 为上层提供服务。这 些服务是设备中的实体通过发送服务原语来实现的，其中实体包括数据实体 ( d a t a - e n t i t y , d e ) 和管理实体( m e n a g e m e n te n t i t y , m e ) 两种：数据实体向上层提供常 规的数据服务而管理实体提供向上层提供访问数据内部层的参数、配置和管理数 据等机制。 所谓服务原语是代表响应服务的符号和参数的一种格式化、规范化的表示， 它与服务的具体实现方式无关。原语的书写形式包含了服务的实体、原语的功能 及原语的类型等，如：扫描原语m l m e s c a n r e q u e s t ；关联确认原语： m l m e a s s o c i a t e c o r f f h m 等。另外，原语都是发送给服务实体相邻层的，层 与层之间的通信原语可以分为以下四种，它们之间的关系如图2 2 1 4 2 1 。 7 硕十学位论文 第二章z i g b e e 组网方案的设计 上层本层 上层 i n d i c a t i o n r e s p o n s e ( a ) 数据服务原语 上层4 x - 云- r e q u e s t 。 c o n f i r m ( b ) 管理服务原语 图2 2 层与层的通信原语示意图 其中： r e q u e s t ：请求原语，用于上层向本层请求指定的服务； i n d i c a t i o n ：指示原语，本层发给上层用来指示本层的某一内部事件； r e s p o n s e ：响应原语，上层用于响应本层发出的指示原语； c o n f i r m ：确认原语，本层用于响应上层发出的请求原语。 下面对z i g b e e 协议栈各层协议的功能作一个简单的介绍【4 3 1 4 4 1 。 2 1 1 物理层 物理层提供的服务是由硬件和软件共同实现的，定义了物理无线信道( 对于 2 4 g h z 频段，有1 6 个信道，编号为1 1 - 2 6 ) 和m a c 子层之间的接i z l ，提供物理 层数据服务( p l d e ) 和物理层管理服务( p l m e ) 。通过该接1 ：3 可以唤醒层管理服务 功能，同时也负责维护与物理层相关的一些管理对象的数据库( p i b ) 。 物理层通过物理层数据服务接入点( p d s a p ) 和物理层管理实服务接入点 f p l m e s a p ) 与m a c 层通信，p d s a p 支持在对等的m a c 层实体间进行m a c 协议数据单元传送，p l m e s a p 则在m a c 层管理实体之间提供管理命令的传送。 物理层主要完成如下任务： 1 无线收发机的激活与关闭： 2 当前信道的能量检澳1 ( e n e r g yd e t e c t ，e d ) ； 3 接受数据包的链路质量标识( l q i ) ； 4 为载波侦听多路访问冲突防_ f l z ( c s m s c a ) 提供空闲信道评估( c c a ) ： 5 工作信道选择； 6 数据发送和接收。 信道能量检测为网络层提供信道选择依据，其值取值范围是0 x 0 0 0 x f f 。它 主要测量目标信道中接受信号的功率强度，链路质量标识为网络层或应用层提供 接受数据帧无线信号的强度和质量信息。 8 硕十学位论文 第二章z i g b e e 组网方案的设计 2 1 2m a c 层 与物理层类似，m a c 层也包括管理实体( m l m e ) 和数据实体( m l d e ) 。m a c 层管理实体提供可以唤醒m a c 层管理服务的服务接口，同时也维护一个与m a c 层相关的管理对象数据库( m i b ) 。 m a c 层与物理层之间通过p l m e s a p 和p d s a p 进行通信，通过m a c 数 据实体服务点( m l d e s a p ) 和m a c 层管理实体服务接入点( m l m e s a p ) 向q l t 务 相关子层提供m a c 层数据和管理服务。另外，m a c 层能支持多种l l c 标准， 通过业务相关会聚子层( s s c s ) 协议承载8 0 2 2 类型的l l c 标准。 m a c 层功能如下： 1 当节点为网络协调器时，产生信标( b e a c o n ) 帧； 2 在信标帧之间进行同步； 3 支持个人区域网( p a n ) 的关联与解关联； 4 支持节点安全机制； 5 对信道接入使用c s m a c a 机制； 6 处理和维护有保证的时隙( g t s ) 机制； 7 在两个对等的m a c 实体问提供可靠的链接。 z i g b e e 中的m a c 和物理层协议是网状网络的应用基础，高容错和低功耗的特 点能保证网状网络所必须考虑基于拓扑控制和功率控制的网络白组特性。而且对 于经典的隐藏终端和暴露终端问题、协议的接入公平性问题、服务质量问题等都 有良好的解决。在网状网络中，m a c 层的传输调度策略会影响数据包延迟、带 宽等性能，影响网络层路由性能，所以网络层必须感知m a c 层性能的变化，才 可以自适应的方式改变路由，改善网络性能。 2 1 3 网络层 网络层对于z i g b e e 协议栈非常重要，每一个z i g b e e 节点都包含网络层， z i g b e e 网络层主要实现组建网络，为新加入网络访分配地址、路由发现、路由维 护等。另外网络层还提供一些必要的函数，确保z i g b e e 的m a c 层正常工作， 并且为应用层提供合适的服务接口，这种结构使得网状网络的应用基本能够实 现。为了向应用层提供其接口，网络层提供了两个必须的功能服务实体，它们分 别为网络数据服务实体( n l d e ) 和管理服务实体( n l m e ) 。n l d e 通过网络层数据 服务实体服务接入点( n l m e s a p ) 提供数据传输服务，网络层管理实体( n l m e ) 通过网络层管理实体服务接入点( n l m e s a p ) 提供网络管理服务。网络层管理实 体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且，网络层管理实体完成对 9 堡主堂堡堕塞 苎二至! ! 业竺塑堕互兰盟壁! 网络信息庠( n i b l 的维护和管理。 2 l4 应用层 z i g b e e 衄用层由三个部分组成：应用子层( a p s ) 、z d o ( 包含z d o 管理寸骨) 和制造商定义的应用对象( a p po b j ) 。a p s 通过蚓络层和安全服务提供层与端点 相接，并为数据传送、安全午口绑定提供服务，可以适配不同但兼容的霄点，并且 提供了这样的接口：在n w k 层和a p l 层之间，从z d o 到供应商的应用对象的 通用服务集。z i g b e e 中的应_ | j 框架( a p lf r a m e w o r k ) 是为驻扎在z i g b e e 节点巾的 应用对象提供活动的环境。最多可以定义2 4 0 个相对独立的应用程序对象( z d o ) ， 任何个对象的端点编号从l 到2 4 0 ，端点号0 固定用于z d o 数据接口，应用 程序可以通过这个端点与z i g b e e 怫议栈的其它层通信：另外一个端点2 5 5 固定 用于所有应用对象广播数据的数据接口功能。端点2 4 1 2 5 4 保留( 给为了扩展使 片j 】，用户不能使用1 4 5 1 o 2 2z i g b e e 网络拓扑结构 z i g b e e 网络只支持2 种物理设备；全功能设备( f f d f u l lf u n c t i o nd e v i c e ) 和 精简功能设备( r f d ，r e d u c e df u n c t i o n d e v i c e ) ，其中f f d 设备可提供全部的m a c 服务，可充当任何z i g b e e 廿点，不仅可阻发送和接收数据，还具各路由功能， 因此可以接收子节点；而r f d 设备只提供部分的m a c 服务，只能充当终端节 点，不能充当协调器和路由节点，它只负责将采集的数据信息发送给协调器和路 由节点，并不具备路由功能，因此不能接收子节点，并且r f d 之间的通信必须 通过f f d 爿能完成。另外，r f d 仅需要使用较小的存储空间，这样就可以非常 容易的组建一个低成本和低功耗的无线通信网络。z i g b e e 标准在此基础上定义了 三种节点：z i g b e e 协调点( c o o r d i n a t o r ) 、路由节点( r o u t e r ) 和终端节点( e n d d e v i c e ) 。z i g b e e 协议标准中定义了三种网络拓扑形式1 4 “，分别为星形拓扑、树 形拓扑和网状拓扑，如图2 3 。 h 1 ，一d 人 uuu u 坩目拍扑 h * # c 围2 - 3z i g b e e 网络的三种拓扑形式 m 目8 f f d ur f d 硕十学位论文 第二章z i g b e e 组网方案的设计 星形网络是三种拓扑结构中最简单的，因为星形网络没用到z i g b e e 协议栈， 只要用8 0 2 1 5 4 的层就可以实现。网络由个协调器和一系列的f f d r f d 构成， 节点之间的数据传输都要通过协调器转发。节点之间的数据路由只有唯一的一个 路径，没有可选择的路径，假如发生链路中断时，那么发生链路中断的节点之间 的数据通信也将中断，此外协调器很可能成为整个网络的瓶颈。 在树形网络中，f f d 节点都可以包含自己的子节点，而r f d 则不行，只能 作为f f d 的子节点，在树形拓扑结构中，每一个节点都只能和他的父节点和子 节点之间通信，也就是说，当从一个节点向另一个节点发送数据时，信息将沿着 树的路径向上传递到最近的协调器节点然后再向下传递到目标节点。这种拓扑方 式的缺点就是信息只有唯一的路由通道，信息的路由过程完成是由网络层处理， 对于应用层是完全透明的。 网状网络除了允许父节点和子节点之间的通信，也允许通信范围之内具有路 由能力的非父子关系的邻居节点之问进行通信，它是树形网络基础上实现的，与 树形网络不同的是，网状网络是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结 构，其路由可自动建立和维护，并且具有强大的自组织、自愈功能，网络可以通 过“多级跳”的方式来通信，可以组成极为复杂的网络，具有很大的路由深度和网 络节点规模。该拓扑结构的优点是减少了消息延时，增强了可靠性，缺点是需要 更多的存储空间的开销。 2 3 组网方案的设计 上面讨论了基本网络拓扑结构，不论是从网络拓扑结构还是从路由方式来 看，都可以认为星形网络和树形网络是网状网络的一个特殊子集，对网状网络的 研究就包括对星形网络和树形网络的内容，所以本文对z i g b e e 网状网络进行探 讨。组建一个完整的z i g b e e 网状网络包括两个步骤：网络初始化、节点加入网 络，其中节点加入网络又包括两个步骤：通过与协调器连接入网和通过已有父节 点入网。 2 3 1 网络初始化 z i g b e e 网络的建立是由网络协调器发起的，任何一个z i g b e e 节点要组建一 个网络必须要满足以下两点要求： 1 节点是f f d 节点，具备z i g b e e 协调器的能力； 2 节点还没有与其它网络连接，当节点已经与其它网络连接时，此节点只 能作为该网络的子节点，因为一个z i g b e e 网络中有且只有一个网络协调器。 在j e n n i ez i g b e e 协议栈中，网络的初始化是由j e n n i c 提供的b o s ( b a s i c 硕十学位论文 第二章z i g b e e 组网方案的设计 o p e r a t i n g s y s t e m ) 控制的，b o s 是一个无优先级的简单任务调度器，控制着z i g b e e 协议栈以及用户任务的执行，网络的初始化就是在b o s 的控制下进行的。z i g b e e 网络的初始化是有序的，每一个节点都有唯一的m a c 地址，这是通过预编程设 定的【4 5 1 。其网络初始化过程如图2 4 。 图2 - 4 网络初始化流程 网络初始化的流程如下： 1 确定网络协调器。首先判断节点是否是f f d 节点，接着判断此f f d 节 点是否在其它网络里或者网络里是否已经存在协调器。通过主动扫描，发送一个 信标请求命令( b e a c o nr e q u e s tc o m m a n d ) ，然后设置一个扫描期限 1 2 硕十学位论文 第二章z i g b e e 组网方案的设计 ( t s c a n d u r a t i o n ) ，如果在扫描期限内都没有检测到信标，那么就认为此f f d 在 其p o s 内没有协调器，那么此时就可以建立自己的z i g b e e 网络，并且作为这个 网络的协调器不断地产生信标并广播出去。 2 进行信道扫描过程。包括能量扫描和主动扫描两