zigbee的系统结构和组网方式

简介

ZigBee 是一种新兴的短距离、低功耗、低数据传输速率的无线网络技术，它是一种介于无 线标记技术和蓝牙之间的技术方案。ZigBee 是建立在 IEEE 802.15.4 标准之上，它确定了 可以在不同制造商之间共享的应用纲要。IEEE 802.15.4 标准定义了 ZigBee 协议的 PHY 层 和 MAC 层。PHY 层规范确定了在 2.4GHz(全球通用的 ISM 频段)以 250kb/s 的基准传输率工 作的低功耗展频无线电以及另有一些以更低数据传输率工作的 915MHz（北美的 ISM 频段） 和 868MHz（欧洲的 ISM 频段）的实体层规范。MAC 层规范定义了在同一区域工作的多个 IEEE 802.15.4 无线电信号如何共享空中通道。

为 了促进 ZigBee 技术的发展，2001 年 8 月成立了 ZigBee 联盟，2002 年下半年，英国 Invensys 公司、日本三菱电子公司、美国摩托罗拉公 司以及荷兰飞利浦半导体公司四大 巨头共同宣布，它们将加入“ZigBee 联盟”，目前该联盟已经有 150 多家成员，以研发名 为 ZigBee 的下一代无线通 信标准。

正如前面所述，ZigBee 不仅仅只是 802.15.4 的名字，IEEE 802.15.4 仅处理低级 MAC 层和 PHY 层协议，所以 ZigBee 联盟对其网络层协议和 API 进行了标准化，还开发了安全层，以 保证这种便携设备不会 意外泄漏其标识。

ZigBee 的组成和构网方式

1.FFD 和 RFD

利用 zigbee 技术组件的无线个人区域网（WPAN）是一种低速率的无线个人区域网（LR WPAN），这种低速率个人区域网的网络结构简单、成本低廉，具有有限的功率和灵活的吞 吐量。

在一个 LR WPAN 网络中，可同时存在两种不同类型的设备，一种是具有完整功能的设备 （FFD），另一种是简化功能的设备（RFD）。 在网络中，FFD 通常有 3 中工作状态：（1）作为个人区域网络（PAN）的主协调器；（2） 作为一个普通协调器；（3）作为一个终端设备。FFD 可以同时和多个 RFD 或其他 FFD 通信。

而 RFD 则只用一种工作状态即作为一个终端设备，并且一个 RFD 只能和一个 FFD 通信。 2.ZigBee 的体系结构

ZigBee 体系结构主要有物理（PHY）层、媒体接入控制（MAC）层、网络/安全层以及应用 框架层构成，如下图所示：

应用框架层 网络/安全层 ZigBee协议

媒体接入控制（MAC）层 IEEE802.15.4 物理（PHY）层 图 1 ZigBee 的体系结构

由上图可知：IEEE 802.15.4 标准定义了 ZigBee 协议的 PHY 层和 MAC 层，而 ZigBee 联盟 对其网络层协议和 API 进行了标准化，还开发了安全层，这才真正形成了 ZigBee 协议栈。 其中 PHY 层的特征是启动和关闭无线收发器，能量检测，链路质量，信道选择，清除信道 评估（CCA），以及通过物理媒体对数据包进行发送和接受。

MAC 层的特征是：信标管理，信道接入，时隙管理，发送确认帧，发送连接及断开连接请 求。除此之外，MAC 层为应用合适的安全机制提供了一些方法。

网络/安全层主要用于 ZigBee 的 LR WPAN 网的组网连接、数据管理以及网络安全等。

应用框架层主要为 ZigBee 技术的实际应用提供一些应用框架模型，不同应用场合，不同厂 商提供的应用框架是有差异的。 3. ZigBee 的网络拓扑结构

根据应用需求，ZigBee 技术网络有两种网络拓扑结构：星型的拓扑结构和对等的拓扑结构，

其中对等拓扑结构又包括簇状拓扑结构和网状拓扑结构。如下图所示：

图 2 ZigBee 的拓扑结构

星型拓扑网络结构由一个叫做 PAN 主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调 器必须为全功能设备(FFD)，从设备既可为全功能设备（FFD）也可为缩简功能设备(RFD)。 在网络通信中，通常将这些设备分为起始设备或者终端设备，PAN 主协调器既可作为起始

设备、终端设备，也可作为路由器，它是 PAN 网络的主要控制器。在任何一个拓扑网络上， 所有设备都有唯一的 64 位的长地址码，该地址码可以在 PAN 中用于直接通信，或者当各 设备之间已经存在连接时，可以将其转变为 16 位的短地址码分配给 PAN 设备。因此在设 备发起连接时，采用 64 位的长地址码，只有连接成功后，系统分配了 PAN 的标识符后， 才能采用 16 位的短地址码进行连接。因此短地址码是一个相对地址码，长地址码是一个绝 对地址码。在 Zigbee 技术应用中，PAN 主协调器是主要的耗能设备，而其他从设备均采用 电池供电。当一个全功能设备(FFD)第一次被激活后，它就会建立一个自己的网络，将自身 设置成为一个 PAN 主协调器。所有星型网络的操作独立于当前其他星型网络的操作，也就 是说在星型网络结构中只有一个唯一的 PAN 主协调器，通过选择一个 PAN 标识符确保网络 的唯一性。目前，其他无线通信技术的星型网络没有采用这种方式。因此一旦选定了一个 PAN 标识符，PAN 主协调器就会允许其他从设备加入到它的网络中，无论是全功能设备， 还是缩减功能设备都可以加入到这个网络中。

在对等的拓扑网络结构中，同样也存在一个PAN主设备，但该网络不同于星型拓扑网 络结构，在该网络中的任何一个设备只要是在它的通信范围之内，就可以和其他设备进行 通信。对等拓扑网络结构能够构成较为复杂的网络结构，例如网状网拓扑结构，这种对等 拓扑网络结构在工业监测和控制、无线传感器网络、供应物资跟踪、农业智能化以及安全 监控等方面都有广泛的应用。一个对等网络的路由协议可以是基于Ad·hoc技术的，也可 以是自组织式的和自恢复式的。并且在网络中各个设备之间发送消息时，可通过多个中间 设备中继的传输方式进行传输，即通常称为多跳的传输方式，以增大网络的覆盖范围。

在对等拓扑结构中，每一个设备都可以与在无线通信范围内的其它任何设备进行通信。 任何一个设备都可定义为PAN主协调器。例如，可将信道中第一个通信的设备定义成PAN主 协调器。

簇树拓扑结构其实是对等网络拓扑结构的一种应用形式，它的另一种典型的应用形式 也即为网状网络(Mesh)拓扑结构。在对等网络中的设备可以为全功能设备，也可以为简化 功能设备。而在簇树中的大部分设备为FFD，RFD只能作为树枝末尾处的叶节点，这主要是 由于RFD一次只能连接一个FFD。任何一个FFD都可以作为主协调器，并且可为其它从设备 或主设备提供同步服务。在整个PAN中，只要该设备相对于PAN中的其他设备具有更多计算 资源，比如具有更快的计算处理能力、更大的存储空间以及更多的供电能力等等。这样的 设备都可以成为该PAN的主协调器，通常称该设备为PAN主协调器。

在建立一个PAN时，首先PAN主协调器将其自身设置成一个簇标识符(CID)为0的簇头 (CLH)。然后选择一个没有使用的PAN标识符，并向邻近的其他设备以广播的方式发送信标 帧，从而形成第一簇网络。接收到信标帧的候选设备可以在簇头中请求加入该网络，如果 PAN主协调器允许设备加入，那么主协调器会将该设备作为子节点加到它的邻居表中。同 时，请求加入的设备将PAN主协调器作为它的父节点加到邻居表中，成为该网络的一个从 设备，其他的所有侯选设备都按照同样的方式，可请求加入到该网络中，作为网络的从设 备。如果候选设备不能加入该网络中，那么它将寻找其他的父节点。

在簇树网络中，最简单的网络结构是只有一个簇的网络，但是多数网络结构由多个相 邻的网络构成。一旦第一簇网络满足预定的应用或网络需求时，PAN主协调器将会按下一

个从设备为另一簇新网络的簇头，使得该从设备成为另一个PAN的协调器，随后其他的从 设备将逐个加入，并形成一个多簇网络。

无论是星型拓扑结构，还是对等拓扑网络结构，每个独立的PAN都有一个唯一的标识 符，利用该PAN标识符，可采用16位的短地址码进行网络设备间的通信，并且可激活PAN网 络设备之间的通信。

网状网(Mesh)可以看成是簇树网络的一种改进型的对等网络。从数据路由来看，簇树 网络结构很容易导致非均匀流量分配。如图3所示，根节点A承担的数据流量明显比其它次 级根节点承担的数据流量要大，由此可见，通常具有较小路径深度的树结构承担更大流量 处理。由此将导致处于较小路径深度树结构中的节点其电池能量消耗将比其它较大路径深 度树结构中的节点电池能量消耗要快[12]，因而处于较小路径深度中的节点因能量的快速耗 尽而更容易失效，其单点失败(SPF)和网络分离的现象[13]就更容易发生。因此，为了克服网 络流量分配不均，在簇树网络的基础上形成如图4所示的网络结构即Mesh网络结构。

图3 簇树网络结构

图4 Mesh网络结构

与簇树网络相比，网状网络传递数据包将会选择一个更短的路径，从而减少根节点的 数据流量。比如，当数据包从节点M向节点I传递的时候，簇树网络中正常的数据包传递路

径是M-L-K-J-A-B-H-I这条路线，而在网状网络中，数据包可能直接从节点M传递到节点I。这 样一方面减少了数据传递的延时，另一方面起到数据分流的作用，从而减轻了根节点的负 担，提高了网络运行的稳定性。 4.ZigBee 的组网流程

节点组网流程如图 5 所示，当第一个 FFD 设备被激活后，首先进行对物理层所默认的 有效信道进行能量扫描，以检测可能的干扰，并对检测到的信道按能量值大小进行信道排 序，然后执行主动扫描过程以选择一个最佳信道作为当前工作信道。第一个成功建立网络 的节点也即协调器节点（在 MSSTATE_LRWPAN 协议栈中，协调器节点在网络建立过程中不 进行信道扫描，直接根据天线的设计频点采用指定的信道进行通信，以达到最佳通信效果）。 网络建立之后，所有其它节点(FFD 或 RFD)均作为网络中的子节点发送入网请求，寻找其通 信范围内的网络，如果找到网络，节点根据所获取的网络信息选择一个父节点提出入网申 请。并等待父节点的请求响应。父节点收到一个入网申请后，将根据请求信息作出是否允 许加入网络的判断，若允许加入，父节点将发出请求响应，告知子节点。子节点收到请求 响应后，将获得一个父节点分配给它的一个网络地址（也叫短地址）作为在网络内的唯一 身份标识。至此节点成功加入网络。首个 FFD 激活节点将作为协调器广播信标帧，同时接 受新节点的入网请求。