浅析ZigBee无线组网技术的研究与实现

2019-02-13杜士华董兴楷王建业

数字通信世界 2019年2期

杨旭，田宇，杜士华，董兴楷，王建业

（内蒙古工业大学，呼和浩特 010010）

ZigBee是一种新出现的低速率、低成本、短距离无线网络技术，具有自己的无线电标准，是在数以千计的微小的传感器中相互协调来实现的。ZigBee的基础是IEEE 802.15.4，它是IEEE无线个人区域网（PAN）工作组的一个标准，也叫作IEEE 802.15.4（ZigBee）技术标准。基于ZigBee技术的无线网络和其它技术相结合能够实现成为无所不在的传感器网络，该网络不但能够在军事、医疗、工业等传统领域获得极高的应用价值，还能涉及到人类日常生产生活中的方方面面。

1 ZigBee无线组网技术的优势

ZigBee无线组网技术和原有的无线网络相比，拥有以下几个优点：

（1）具有更好的节能性与可靠性。在单跳网络中，若一个接入点出现问题就会影响到所有的网络；而无线组网中的所有节点和路由器都单独的接收并传输信息，当某个节点出现问题时，通过中继处理，绕过问题，信息能够通过其他的通信链路进行传递，从而确保所有的网络都能够运行。同时，在无线组网技术中，每个节点能够离得很近，因此节点所需要的功率极大的减小了，多跳技术增强了无线组网中节点电池的使用寿命。

（2）高带宽。按照无线通信的物理特点，无线传输距离越大时，数据丢失和干扰的几率就会增加，所以通信传输的距离越短其带宽就能越高。无线组网技术能够使用多次“短跳”来传输信息，节点之间的无线信号干扰会因为路程的缩小而降低，但信道利用率和质量会因为路程的减少而加强，从而使得带宽程度变高，能够获得更高的带宽。

（3）冲突降低。由于链路是网状结构，所有节点能够使用的链路数得到了加强，同时所有的网络节点都拥有选路能力，全部自组织网络能够在一定程度上降低业务执行时产生的冲突。无线网状网中的一个路径如果出现了问题，节点就能够自动搜索其他的冗余通信通道，选择其余能够通行的信息通道展开信息传递，从而保持正常的网络通信，降低了业务开展过程中出现冲突的可能性。

2 ZigBee组网方案设计

网状网络的路由能够自主构建并进行维护，且拥有极强的自愈、自组织能力，该网络能够通过“多级跳”的方式来展开通信，是一种以接力方式传输的，较为特殊的点对点网络结构。同时它还能组成较为复杂的网络，拥有较强的路由深度与网络节点规模。

2.1 网络的初始化

ZigBee网络的构建是通过协调器（Coordinator）来实现的，所有的节点若要构成一个网络一定要达到以下的条件：一是节点要是FFD节点，拥有协调器的作用；二是节点还未和其他网络连接，因为一个网络中只能有一个协调器，若该节点已和其他网络相连，则该节点就只能是其他网络中的子节点，无法再构建自身的网络。ZigBee的所有节点都有单独的MAC地址，且地址是通过预编程设计的，ZigBee的网络初始化具有以下顺序：一是确定网络协调器。第一先要分析节点是否是FFD节点，然后该FFD节点将会检测其有没有形成网络，若未形成网络，就会马上构建出一个全新的网络流程，从而建立自身的ZigBee网络；二是展开信道扫描。该扫描可以分为主动扫描和能量扫描，能够防止可能出现的干扰。网络层会先发出请求对相应的信道展开能量检测扫描，网络层会发送扫描类型（Scan Type）参数设置为能量检测扫描的MLME-SACAN.request原语到MAC层展开信道能量检测扫描，扫描的结果再通过MLME-SACAN.confirm原语返回；三是设置网络ID。若网络层管理实体发现合适的网络后，协调器就会挑选一个PAN标识符PAN ID赋予该新网络，该ID取值一般不超过0x3FFF，且ID在该信道中具有唯一性。网络层管理实体通过NLME_SET.request原语把PANID写入macPANID属性。能够通过监听信道中的其他网络来获得ID，也能人为的确定ID，但选择的ID无法和存在的ID相冲突。

2.2 节点通过协调器加入网络

当明确ZigBee协调器后，节点首先就要和协调器相连并接入网络。按照FFD/RFD的特点，接下来对FFD节点和协调器相连加入网络的流程展开分析。第一FFD节点要向协调器提出连接的申请，才能进行连接，协调器收到节点的连接请求后按照情况决定是否进行连接，并对节点作出反应，具体流程如下：一是寻找网络协调器。第一会自主进行扫描发现周围的网络协调器，若在扫描时间内发现信号，就能够得到协调器的有关信息，此时就会向协调器发出连接的请求。若没有检测到信号，就会在一段时间后再次进行扫描；耳带式发送关联请求命令。节点会把关联请求命令发送到协调器，协调器收到信息后会马上发出确认帧（ACK），并向其上层发出连接指示原语，表明已经接收到节点的连接请求；三是等待协调处理。当节点接收到请求命令ACK后，节点的MAC就会等待一段时间，接受协调器的连接响应；四是发送数据请求命令。若协调器在响应时间内允许节点加入，那么就会出现关联响应命令并储存该命令。响应后，节点发送数据请求命令给协调器，协调器收到消息后马上回复ACK，并把存储的关联响应命令发送给节点；五是回复，节点接收到关联响应命令后，会马上向协调器回复确认帧（ACK），从而确认接收到连接响应命令。