Zigbee框架体系结构及组网技术的研究

　　摘要：基于Zigbee网络的分层网络框架体系结构和以IEEE802.15. 4为基础的协议栈架构，采用理论介紹和实验验证相结合的方法，首先对Zigbee网络框架结构体系进行了介绍，接着通过无线控制开关与照明设备间的无线连接方式和路由选择实验，来验证Zigbee网络的自主搜索、自主组网的技术特点，最后得出Zigbee作为一种新型的无线网络形式，在无线物联传感方面有巨大的优势，必将在无线传感网络中获得更广泛的应用。

　　在过去的几年里，随着信息技术的发展，计算机、网络已经成为人们日常生活的一部分。相对于有线和远距离无线传输的不方便和昂贵资费，人们提出在自身周边几米或者几十米范围之内短距离通信的需求，需求推动科技发展。于是出现了无线个人区域网络(Wireless Perso nal Area Network，WPAN)的概念。WPAN网络为短距离范围内的网络设备建立无线连接，把几米或者几十米范围内的多个网络设备通过无线的方式连接在一起，使它们可以相互通信甚至可以通过某个设备接人局域网(LAN)或Internet。短距离、无线通讯技术一时风起云涌，成为信息通讯技术研究和发展的热点。各种新的无线通讯技术层出不穷，无线局域网络日渐走入人们的生活。Wi—Fi、蓝牙(Blue Tooth)、WLAN，Zig bee，红外线等无线技术相继出现，也逐渐为人们所熟知。无可否认，各种无线技术在市场化的过程中展现了具大的应用潜力，但于此同时，各种无线链接方式的优缺点也都饱受诟病。就像Wi—Fi的穿透性、距离;蓝牙的传输速度、红外线的无障碍、直线要求。就现在移动公司大力推广的、如日中天的WLAN来说，区域范围小和基础布置的高费用也一直困扰着管理者和使用者。各种无线网络要求都在努力追寻适合自己的无线网络传输方式。

　　伴随着物联中国(IOT China)概念的提出，物联网(The Internet of Things)作为一个全新的概念出现在人们的视野中，物联网所提倡的自动感应、识别技术得到了人们的广泛关注，无线通讯技术和传感器技术获得了飞速发展，无线传感器网络在工业生产、军事探测、智能家居、医疗保健、教育科研中有了更广泛的应用。工业自动化和家庭智能化对无线数据通信的需求也越来越强烈。低速率、低功耗、可嵌入、网络自愈力强的无线要求使得在无线网络传播中一直默默无闻的Zigbee异军突起，成为作为无线传感器网络的主要支撑技术。

　　1 Zigbee的框架体系结构

　　Zigbee是由英文单词“zig”和“bee”组成的，zig的意思为Z型的转向，bee为蜜蜂，合起来表示蜜蜂的8字形舞蹈。众所周知，蜜蜂在发现花粉后会通过一种特殊的飞行动作语言来告知同伴新发现的花粉的位置信息，这种肢体语言就是Zigbee舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。人们用Zigbee来命名这种无线通讯方式，也是因为Zigbee也有蜜蜂8字舞一样近距离、低复杂度、自组织的特点。

　　Zigbee采用了OSI模型体系结构，由称之为层的各个模块(实体)组成，不同的模块(实体)负责不同的功能，每一层为其上一层提供数据整合和传输服务。每个服务模块通过相应的服务接入点SAP(Service Access Point，SAP)为其上层提供数据服务接口，每个服务接入点SAP通过服务原语来完成所对应的功能。通常将Zigbee的协议栈结构分为六层结构，如图1所示：

　　1)IEEE802.15.4协议

　　Zigbee采用了OSI的分层结构，其实也可以说是TCP/IP协议的分层结构，因为它只采用了下面两层，物理层(Physical Layer，PHY)和数据链路层(Data Link Layer，DLL)。又将数据链路层分成了两个子层：媒体接入层(Media Access Control，MAC)和链路层(Logical Link Control，LLC)。这两层的协议标准由IEEE802.15.4协议工作小组制定，这也是许多文献说Zigbee采用IEEE802.15.4协议的原因。

　　①物理层

　　物理层是协议的最底层，承担着和外界进行信息交换的任务，并控制RF收发器工作，还定义了物理层和MAC子层之间的接口。

　　②MAC子层

　　MAC子层负责处理所有的物理无线信道访问，保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中正确收发，并产生网络定位信号，所以MAC在日常中也被人们称为的网卡地址。另外，MAC还支持个人局域网PAN(Personal Area Network，PAN)连接和退出，并为新加入的PAN提供MAC数据接入链接。LLC子层为网络层提供数据接口。

　　2)Zigbee Alliance标准

　　Zigbee Alliance在IEEE802.15.4协议的基础上对网络层进行了标注化，并在网络层的基础上开发了安全层。

　　①网络层

　　网络层是Zigbee协议栈的核心部分，Zigbee Alliance的大部分工作也都体现在网络层，网络层主要实现网络节点加入或离开，路由查找及传送数据等功能。

　　Zigbee的自动组网和网络自愈功能也主要体现在网络层。当一个网络节点加入或者退出时，Zigbee可以自动重新计算网络，选择最合适的网络传输线路。如图：

　　a)Zigbee可以自动搜索和感知临近的网络，形成交互网络。台灯与无线开关之间形成网路。

　　b)需要信息传递时，自动搜寻最合适的网络。台顶与开关交互式，自动监测，通过粗的红色线路形成数据交互链路。

　　c)当其中某个或多个节点关闭时，Zigbee自动重新链接网络，重新定义线路。当图中3个蓝色节点关闭后，台灯与无线开关重新定义并链接。如图4所示：

　　②安全层

　　安全层(Security Service Provider，SSP)是Zigbee独立开发出来进行信息安全验证的功能模块，在OSI和TCP/IP模型中都没有体现。它主要负责实现信息交换的密钥管理、密钥存取等功能。