基于ZigBee的WPAN网络配置应用

ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低成本、低功耗的无线网络技术。它采用直接序列扩频(DSSS)技术,工作频率为868MHz、915MHz或2,4GHz,都是无须申请执照的频率。基于ZigBee技术配置无线个域网络是近年来近距离无线通信技术的一种新发展,在工业自动化领域以及智能家居领域获得了越来越广泛的应用。 
　　 
　　ZigBee网络配置 
　　 
　　1　网络设备组成 
　　ZigBee网络设备主要包括网络协调器、全功能设备和精简功能设备3类。 
　　①网络协调器 
　　包含所有的网络消息,是3种设备类型中最复杂的一种,存储容量最大、计算能力最强。功能是发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。 
　　②全功能设备 
　　全功能设备(Full-FunctionDevice,FFD)可以担任网络协调者,形成网络,让其他的FFD或精简功能装置(RFD)联结。FFD具备控制器的功能,可提供信息双向传输。其设备特性如下。 
　　·附带由标准指定的全部IEEE802,15.4功能和所有特征; 
　　·更强的存储能力和计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用, 
　　·也能用作终端设备。 
　　③精简功能设备 
　　精简功能设备(Reduced-FunctionDevice,RFD)只能传送信息给FFD或从FFD接收信息,其设备特性如下。 
　　·附带有限的功能来控制成本和复杂性, 
　　·在网络中通常用作终端设备; 
　　·RFD由于省掉了内存和其他电路,降低了ZigBee部件的成本,而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。 
　　 
　　2　网络节点类型 
　　从网络配置上,ZigBee网络中有3种类型的节点:ZigBee协调点、ZigBee路由节点和ZigBee终端节点。 
　　①ZigBee协调点 
　　ZigBee协调点在IEEE 802.15.4中也称为PAN(Personal A reaNetwork)协调点(zigBeeCoordinator,ZC),在无线传感器网络中可以作为汇聚节点。ZigBee协调点必须是FFD,一个ZigBee网络只有一个ZigBee协调点,它往往比网络中其他节点的功能更强大,是整个网络的主控节点。它负责发起建立新的网络、设定网络参数、管理网络中的节点以及存储网络中节点信息等,网络形成后也可以执行路由器的功能。ZigBee协调点是3种类型ZigBee节点最为复杂的一种,一般由交流电源持续供电。 
　　②ZigB ee路由节点 
　　ZigBee路由节点(ZigBeeRouter,ZR)也必须是FFD。ZigBee路由节点可以参与路由发现、消息转发,通过连接别的节点来扩展网络的覆盖范围等。此外,zigBee路由节点还可以在它的个人操作空间(POs,Personal Operating Space)中充当普通协调点(IEEE 802.15.4称为协调点)。普通协调点与ZigBee协调点不同,它仍然受ZigBee协调点的控制。 
　　③ZigBee终端节点 
　　zigBee终端节点(ZigBeeEndDevice,ZE)可以是FFD或者RFD,它通过ZigBee协凋点或者ZigBee路由节点连接到网络,但不允许其他任何节点通过它加入网络,ZigBee终端节点能够以非常低的功率运行。 
　　3　网络工作模式 
　　ZigBee网络的工作模式可以分为信标(Beacon)和非信标(Non-beacon)2种模式,信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠,以达到最大限度的功耗节省,而非信标模式则只允许ZE进行周期性休眠,ZC和所有ZR设备必须长期处于工作状态。 
　　信标模式下,ZC负责以一定的间隔时间(一般在15ms~4min)向网络广播信标帧,2个信标帧发送之间有16个相同的时槽,这些时槽分为网络休眠区和网络活动区2个部分,消息只能在网络活动区的各时槽内发送。 
　　 
　　非信标模式下,ZigBee标准采用父节点为ZE子节点缓存数据,ZE主动向其父节点提取数据的机制,实现ZE的周期性(周期可设置)休眠。网络中所有父节点需为自己的ZE子节点缓存数据帧,所有ZE子节点的大多数时间都处于休眠模式,周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中,其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。

网络拓扑结构 
　　 
　　IEEE 802.15.4网络根据应用的需要可以组织成星型网络,也可以组织成点对点网络。在星型结构中,所有设备都与中心设备PAN网络协调器通信。在这种网络中,网络协调器一般使用持续电力系统供电,而其他设备采用电池供电。星型网络适合家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。与星型网不同,点对点网络只要彼此都在对方的无线辐射范围之内,任何2个设备都可以直接通信。点对点网络中也需要网络协调器,负责实现管理链路状态信息,认证设备身份等功能。点对点网络模式可以支持Ad H0c网络,允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据。不过一般认为自组织问题由网络层来解决,不在IEEE802.15.4标准讨论范围之内。点对点网络可以构造更复杂的网络结构,适合于设备分布范围广的应用,例如,在工业检测与控制、货物库存跟踪和智能农业等方面有非常好的应用背景。 
　　由于树状网络和网状网络具有在多个网络之间路由数据包的功能,因而被称为多跳网络,而星形网络则被称为单跳网络。和任何网络一样,ZigBee网络也是多点接入网络,这意味着网络中的所有节点对通信介质的访问是同等的。其有2种类型的多点接入机制,在没有使能信标的网络中,只要信道是空闲的,在任何时候都允许所有节点发送。在使能了信标的网络中,仅允许节点在预定义的时隙内进行发送。协调器会定期以一个标识为信标帧的超级帧开始发送,并且希望网络中的所有节点与此帧同步。在这个超级帧中为每个节点分配了一个特定的时隙,在该时隙内允许节点发送和接收数据。超级帧可能还含有一个公共时隙,在此时,隙内所有节点竞争接入信道。 
　　虽然网络拓扑结构的形成过程属于网络层的功能,但IEEE 802.15.4为形成各种网络拓扑结构提供了充分支持。在规划设计时,通常需要考虑网络容量和时延。ZigBee标准的网络容量虽然可以支持到最多65535个网络节点,但每2个相邻节点完成一次通信需要15ms时间,所以在实际应用中需要考虑网络覆盖范围和响应时间。单点容量大了,覆盖范围扩充不大;响应时间大了,应用业务实现不了。这就需要根据应用环境的不同,设计有效的网络拓扑组合来满