zigbee无线传感器网络通信标准

    Zigbee标准是一种新兴的短距离无线网络通信技术，它是基于IEEE802.15.4协议栈，主要针对低速率的通信网络设计的，它的功耗低，是最具有可能应用在工控场合的无线方式。它在2.4G频带提供的数据传输速率是240kb/s，915MHz频带提供的数据传输速率为40kb/s，而868MHz频带提供的数据传输速率为20kb/s，传输距离10~75m。另外，它可以与254个节点联网，它本身的特点使得其在工业监控，传感器网络，家庭监控，安全系统等领域有很大的发展空间。

    一、zigbee技术特点

1. 功耗低：工作周期短，收发数据信息功耗低，且使用休眠模式（不接收时处于休眠，接收时由协调器唤醒）
2.  成本低：协议栈简单，研发和生产成本低，节点硬件只需要8位微处理器，只需要4~30KB的ROM，模块便宜，协议免专利费。
3.  可靠性高：采用碰撞避免机制，避免了收发数据时的竞争和冲突。
4.  容量大：一个zigbee网络最多容纳254个从设备和1个主设备，一个区域内最多可以容纳100个zigbee网络，而且网络组成灵活。
5.  时延小：休眠唤醒时延只需要15ms
6. 安全性好：加密算法采用AES-128。
7. 有效范围小：10~75m之间。
8. 兼容性好

    二、zigbee协议框架

    完整的zigbee协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和高层应用规范组成。zigbee协议栈的网络层、安全层和应用程序接口等由zigbee联盟制定，物理层和MAC层由IEEE802.15.4标准定义。zigbee联盟在802.15.4基础上定义了网络层和应用层，安全层主要实现密钥管理、存取等功能，应用程序接口负责向用户提供简单的应用软件接口（API），包括应用子层支持（Application Sub-layer Support，APS）、zigbee设备对象（zigbee device object，ZDO）等，实现应用层对设备的管理。

    三、zigbee网络层规范

   网络层主要实现节点的加入、离开、路由查找、和传送数据等功能。目前主要支持两种路由算法，即树路由（Cluster-Tree）和网状网路由。支持星状（Star），树状（Cluster-Tree），网格（Mesh）等多种拓扑结构。在这些拓扑结构中包含协调器、路由器和末端节点。

     其中，网状网路由是由无线自组网按需平面距离矢量路由协议（AODV）路由算法的一个简化版本。在AODV中，一个网络节点要建立连接时才广播一个连接建立的请求，其他的AODV节点转发这个请求信息，并记录源节点和回到源节点的临时路由。当接收连接请求的节点知道到达目的节点的路由时，就把这个路由信息按照先前记录回到源节点的临时路由发回源节点。源节点和目的节点之间使用这个经由其他节点并且具有最短跳数的路由进行数据传输。当链路断掉时，路由错误回送源节点，源节点就重新发起路由查找的过程，它可以用于较大规模的网络，需要节点维护一个路由表，耗费一定的存储资源，但往往能达到最优的路由效率，而且使用灵活。

    zigbee网络层划分为网络层数据实体（NLDE）和网络层管理实体（NLME），NLDE提供相关的SAP的数据传输服务，NLME提供相关的SAP的管理服务。数据实体通过和他相连的NLDE-SAP服务存取点提供数据管理服务；而网络管理实体通过和他相连的NLME-SAP服务存取点提供管理服务，他们共同维护一个被称作网络信息中心（NIB）的数据库对象。

    NLDE提供如下服务：

1. 产生网络层协议数据单元（NPDU）。
2. 提供基于拓扑结构的路由策略。

    NLME提供如下服务：

1. 配置新设备
2. 建立网络
3. 加入和离开网络
4. 寻址
5. 邻居发现
6. 路由发现
7. 接收控制

    网络层的帧由网络层帧头和网络负载组成。其中帧头包括帧控制域（8B）和路由域，路由域又包括目标地址(2B)、源地址(2B)、半径(1B)、序列号（1B）。网络层数据帧和命令帧的区别在于命令的数据域有1B的NWK命令标识符。

    网络层的主要功能包括以下8个方面：

1. 通过添加恰当的协议头能够从应用层生成网络的PDU，即NPDU。
2. 确定网络的拓扑结构。
3. 配置一个新的设备，可以是网络协调器，也可以向存在的网络中加入设备。
4. 建立并启动无线网络
5. 加入或离开网络
6. zigbee的协调器和路由能为加入网络的设备分配地址
7. 发现并记录邻居表、路由表
8. 信息的接收控制，同步MAC子层或直接接收信息