ZigBee的工作原理_ZigBee組網(wǎng)技術(shù)

　　ZigBee是一種高可靠的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無(wú)限擴(kuò)展。Zigbee技術(shù)特點(diǎn)主要有低功耗、低成本、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、工作頻段靈活、低速率、安全的數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。其中低功耗是Zigbee技術(shù)最重要的特點(diǎn)。由于 Zigbee的傳輸速率相對(duì)較低發(fā)射功率較小，使得 Zig bee設(shè)備很省電，這是 Zigbee技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用的基石。

　　ZigBee協(xié)議適應(yīng)無(wú)線傳感器的低花費(fèi)、低能量、高容錯(cuò)性等的要求。Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4。但I(xiàn)EEE僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟擴(kuò)展了IEEE，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主要用于近距離無(wú)線連接。它有自己的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。

　　ZigBee組網(wǎng)概述

　　組建一個(gè)完整的zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)步驟：網(wǎng)絡(luò)初始化、節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。其中節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)又包括兩個(gè)步驟：通過(guò)與協(xié)調(diào)器連接入網(wǎng)和通過(guò)已有父節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)初始化預(yù)備

　　Zigbee網(wǎng)絡(luò)的建立是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)起的，任何一個(gè)zigbee節(jié)點(diǎn)要組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須要滿足以下兩點(diǎn)要求：

　?。?）節(jié)點(diǎn)是FFD節(jié)點(diǎn)，具備zigbee協(xié)調(diào)器的能力;

　　（2）節(jié)點(diǎn)還沒(méi)有與其他網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)與其他網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，此節(jié)點(diǎn)只能作為該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)，因?yàn)橐粋€(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

　　FFD：Full Function Device 全功能節(jié)點(diǎn)

　　RFD：Reduced FunctionDevice 半功能節(jié)點(diǎn)

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)初始化流程

　　1、確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器

　　首先判斷節(jié)點(diǎn)是否是FFD節(jié)點(diǎn)，接著判斷此FFD節(jié)點(diǎn)是否在其他網(wǎng)絡(luò)里或者網(wǎng)絡(luò)里是否已經(jīng)存在協(xié)調(diào)器。通過(guò)主動(dòng)掃描，發(fā)送一個(gè)信標(biāo)請(qǐng)求命令（Beaconrequest command），然后設(shè)置一個(gè)掃描期限（T_scan_duration），如果在掃描期限內(nèi)都沒(méi)有檢測(cè)到信標(biāo)，那么就認(rèn)為FFD在其pos內(nèi)沒(méi)有協(xié)調(diào)器，那么此時(shí)就可以建立自己的zigbee網(wǎng)絡(luò)，并且作為這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器不斷地產(chǎn)生信標(biāo)并廣播出去。

　　注意：一個(gè)網(wǎng)絡(luò)里，有且只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器（coordinator）。

　　2、進(jìn)行信道掃描過(guò)程

　　包括能量掃描和主動(dòng)掃描兩個(gè)過(guò)程：首先對(duì)指定的信道或者默認(rèn)的信道進(jìn)行能量檢測(cè)，以避免可能的干擾。以遞增的方式對(duì)所測(cè)量的能量值進(jìn)行信道排序，拋棄那么些能量值超出了可允許能量水平的信道，選擇可允許能量水平的信道并標(biāo)注這些信道是可用信道。接著進(jìn)行主動(dòng)掃描，搜索節(jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)信息。這些信息以信標(biāo)幀的形式在網(wǎng)絡(luò)中廣播，節(jié)點(diǎn)通過(guò)主動(dòng)信道掃描方式獲得這些信標(biāo)幀，然后根據(jù)這些信息，找到一個(gè)最好的、相對(duì)安靜的信道，通過(guò)記錄的結(jié)果，選擇一個(gè)信道，該信道應(yīng)存在最少的zigbee網(wǎng)絡(luò)，最好是沒(méi)有zigbee設(shè)備。在主動(dòng)掃描期間，MAC層將丟棄PHY層數(shù)據(jù)服務(wù)接收到的除信標(biāo)以外的所有幀。

　　3、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)ID

　　找到合適的信道后，協(xié)調(diào)器將為網(wǎng)絡(luò)選定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符（PAN ID，取值《=0x3FFF），這個(gè)ID在所使用的信道中必須是唯一的，也不能和其他zigbee網(wǎng)絡(luò)沖突，而且不能為廣播地址0xFFFF（此地址為保留地址，不能使用）。PAN ID可以通過(guò)偵聽(tīng)其他網(wǎng)絡(luò)的ID然后選擇一個(gè)不會(huì)沖突的ID的方式來(lái)獲取，也可以人為的指定掃描的信道后，來(lái)確定不和其他網(wǎng)絡(luò)沖突的PAN ID。

　　在zigbee網(wǎng)絡(luò)中有兩種地址模式：擴(kuò)展地址（64位）和短地址（16位），其中擴(kuò)展地址由IEEE組織分配，用于唯一的設(shè)備標(biāo)識(shí);短地址用于本地網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備標(biāo)識(shí)，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)設(shè)備的短地址必須唯一，當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)由其父節(jié)點(diǎn)分配并通過(guò)使用短地址來(lái)通信。對(duì)于協(xié)調(diào)器來(lái)說(shuō)，短地址通常設(shè)定為0x0000。

　　上面步驟完成后，就成功初始化了zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，之后就等待其他節(jié)點(diǎn)的加入。節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)將選擇范圍內(nèi)信號(hào)最強(qiáng)的父節(jié)點(diǎn)（包括協(xié)調(diào)器）加入網(wǎng)絡(luò)，成功后將得到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)短地址并通過(guò)這個(gè)地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系和地址就會(huì)保存在各自的flash中。

　　ZigBee節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)

　　當(dāng)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器確定之后，節(jié)點(diǎn)首先需要和協(xié)調(diào)器建立連接加入網(wǎng)絡(luò)。

　　為了建立連接，F(xiàn)FD節(jié)點(diǎn)需要向協(xié)調(diào)器提出請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器接收到節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求后根據(jù)情況決定是否允許其連接，然后對(duì)請(qǐng)求連接的節(jié)點(diǎn)做出響應(yīng)，節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器建立連接后，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的具體流程可以分為下面的步驟：

　　1、查找網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器

　　首先會(huì)主動(dòng)掃描查找周圍網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，如果在掃描期限內(nèi)檢測(cè)到信 標(biāo)，那么將獲得了協(xié)調(diào)器的有關(guān)信息，這時(shí)就向協(xié)調(diào)器發(fā)出連接請(qǐng)求。在選擇合適的網(wǎng)絡(luò)之后，上層將請(qǐng)求MAC層對(duì)物理層PHY和MAC層的phyCurrentChannel、macPANID等PIB屬性進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。如果沒(méi)有檢測(cè)到，間隔一段時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起掃描。

　　2、發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求命令（Associaterequest command）

　　節(jié)點(diǎn)將關(guān)聯(lián)請(qǐng)求命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到后立即回復(fù)一個(gè)確認(rèn)幀（ACK），同時(shí)向它的上層發(fā)送連接指示原語(yǔ)，表示已經(jīng)收到節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求。但是這并不意味著已經(jīng)建立連接，只表示協(xié)調(diào)器已經(jīng)收到節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求。當(dāng)協(xié)調(diào)器的mac層的上層接收到連接指示原語(yǔ)后，將根據(jù)自己的資源情況（存儲(chǔ)空間和能量）決定是否同意此節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求，然后給節(jié)點(diǎn)的mac層發(fā)送響應(yīng)。

　　3、等待協(xié)調(diào)器處理

　　當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到協(xié)調(diào)器加入關(guān)聯(lián)請(qǐng)求命令的ACK后，節(jié)點(diǎn)mac將等待一段時(shí)間，接受協(xié)調(diào)器的連接響應(yīng)。在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)，如果接收到連接響應(yīng)，它將這個(gè)響應(yīng)向它的上層通告。而協(xié)調(diào)器給節(jié)點(diǎn)的mac層發(fā)送響應(yīng)時(shí)會(huì)設(shè)置一個(gè)等待響應(yīng)時(shí)間（T_ResponseWaitTime）來(lái)等待協(xié)調(diào)器對(duì)其加入請(qǐng)求命令的處理，若協(xié)調(diào)器的資源足夠，協(xié)調(diào)器會(huì)給節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)16位的短地址，并產(chǎn)生包含新地址和連接成功狀態(tài)的連接響應(yīng)命令，則此節(jié)點(diǎn)將成功的和協(xié)調(diào)器建立連接并可以開(kāi)始通信。若協(xié)調(diào)器資源不夠，待加入的節(jié)點(diǎn)將重新發(fā)送請(qǐng)求信息，直接入網(wǎng)成功。

　　4、發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令

　　如果協(xié)調(diào)器在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)同意節(jié)點(diǎn)加入，那么將產(chǎn)生關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令（Associateresponse command）并存儲(chǔ)這個(gè)命令。當(dāng)響應(yīng)時(shí)間過(guò)后，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令（Datarequest command）給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到后立即回復(fù)ACK，然后將存儲(chǔ)的關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令發(fā)給節(jié)點(diǎn)。如果在響應(yīng)時(shí)間到后，協(xié)調(diào)器還沒(méi)有決定是否同意節(jié)點(diǎn)加入，那么節(jié)點(diǎn)將試圖從協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀中提取關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令，成功的話就可以入網(wǎng)成功，否則重新發(fā)送請(qǐng)求信息直到入網(wǎng)成功。

　　5、回復(fù)

　　節(jié)點(diǎn)收到關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令后，立即向協(xié)調(diào)器回復(fù)一個(gè)確認(rèn)幀（ACK），以確認(rèn)接收到連接響應(yīng)命令，此時(shí)節(jié)點(diǎn)將保存協(xié)調(diào)器的短地址和擴(kuò)展地址，并且節(jié)點(diǎn)的MLME向上層發(fā)送連接確認(rèn)原語(yǔ)，通告關(guān)聯(lián)加入成功的信息。

　　ZigBee節(jié)點(diǎn)通過(guò)已有節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)

　　當(dāng)靠近協(xié)調(diào)器的FFD節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)成功后，處于這個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)就以這些FFD節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)了，具體加入網(wǎng)絡(luò)有兩種方式，一種是通過(guò)關(guān)聯(lián)（associate）方式，就是待加入的節(jié)點(diǎn)發(fā)起加入網(wǎng)絡(luò);另一種是直接（direct）方式，就是待加入的節(jié)點(diǎn)具體加入到那個(gè)節(jié)點(diǎn)下，作為該節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)。其中關(guān)聯(lián)方式是zigbee網(wǎng)絡(luò)中新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的主要途徑。

　　對(duì)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)只有沒(méi)有加入過(guò)網(wǎng)絡(luò)的才能進(jìn)行加入網(wǎng)絡(luò)。在這些節(jié)點(diǎn)中，有些是曾經(jīng)加入過(guò)網(wǎng)絡(luò)中，但是卻與它的父節(jié)點(diǎn)失去聯(lián)系（這樣的被稱為孤兒節(jié)點(diǎn)），而有些則是新節(jié)點(diǎn)。當(dāng)是孤兒節(jié)點(diǎn)時(shí)，在它的相鄰表中存有原父節(jié)點(diǎn)的信息，于是它可以直接給原父節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求信息。如果父節(jié)點(diǎn)有能力同意它加入，于是直接告訴它的以前被分配的網(wǎng)絡(luò)地址，它便入網(wǎng)成功;如果此時(shí)它原來(lái)的父節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中，子節(jié)點(diǎn)數(shù)已達(dá)到最大值，也就是說(shuō)網(wǎng)絡(luò)地址已經(jīng)分配滿，父節(jié)點(diǎn)便無(wú)法批準(zhǔn)它加入，它只能以新節(jié)點(diǎn)身份重新尋找并加入網(wǎng)絡(luò)。

　　而對(duì)于新節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，他首先會(huì)在預(yù)先設(shè)定的一個(gè)或多個(gè)信道上通過(guò)主動(dòng)或被動(dòng)掃描周圍它可以找到的網(wǎng)絡(luò)，尋找有能力批準(zhǔn)自己加入網(wǎng)絡(luò)的父節(jié)點(diǎn)，并把可以找到的父節(jié)點(diǎn)的資料存入自己的相鄰表。存入相鄰表的父節(jié)點(diǎn)的資料包括zigbee協(xié)議的版本、協(xié)議棧的規(guī)范、PAN ID和可以加入的信息。在相鄰表中所有的父節(jié)點(diǎn)中選擇一個(gè)深度最小的，并對(duì)其發(fā)出請(qǐng)求信息，如果出現(xiàn)相同最小深度的兩個(gè)以上的父節(jié)點(diǎn)，那么隨機(jī)選取一個(gè)發(fā)送請(qǐng)求。如果相鄰表中沒(méi)有合適的父節(jié)點(diǎn)的信息，那么表示入網(wǎng)失敗，終止過(guò)程。如果發(fā)出的請(qǐng)求被批準(zhǔn)，那么父節(jié)點(diǎn)同時(shí)會(huì)分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址，此時(shí)入網(wǎng)成功，子節(jié)點(diǎn)可以開(kāi)始通信。如果請(qǐng)求失敗，那么重新查找相鄰表，繼續(xù)發(fā)送請(qǐng)求信息，直到加入網(wǎng)絡(luò)。