zigbee無線感測器網路的研究與實驗
zigbee無線感測器網路的研究與實驗
引言除了邏輯鏈路控制(logic link control, llc)層、媒介訪問控制層(mac)，與物理層使用2023年10月公布的ieee 802.15.4標準外，zigbee標準協議制定了應用層與網路層，及mac、應用層與網路層的安全加密服務標準。
以感測器和自組織網路為代表的無線應用並不需要較高的傳輸頻寬，但卻需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗，使使用者能擁有較長的電池壽命和較多的器件陣列。目前迫切需要一種符合感測器和低端的、面向控制的、應用簡單的專用標準，而zigbee的出現正好解決了這一問題。zigbee有著高通訊效率、低複雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數位化等諸多優點。這些優點使得zigbee和無線感測器網路完美地結合在一起。目前，基於zigbee技術的無線感測器網路的研究和開發已得到越來越多的關注。
1 zigbee協議術語
配置檔案(profile)：zigbee協議的配置檔案是對邏輯元件及其相關介面的描述，是面向某個應用類別的公約、準則.通常沒有程式**與配置檔案相關聯.
屬性(attribute)：裝置之間通訊的每一種資料像開關的狀態或溫度計值等皆可稱為屬性.每個屬性可得到唯一的id值.
簇(cluster)：多個屬性的匯集形成了簇，每個簇也擁有乙個唯一的id。雖然個體之間傳輸的通常是屬性資訊，但所謂的邏輯元件的介面指的卻是簇一級的操作，而非屬性一級.
終端(endpoint)：每個支援乙個或多個簇的**功能塊稱為終端。不同的裝置通過它們的終端及所支援的簇來進行通訊。
配置檔案定義了屬性id與簇id，使之看起來就像裝置的某種特性.以家庭智慧型控制系統為例，燈配置檔案設定了遠端控制裝置的簇onoffdrc含有一種屬性onoff，且該屬性為無符號8位值，值0xff意味著"開"，0x00為關，0xf0則為無效。通常，配置檔案也為裝置定義了，哪些簇是強制託管的，哪些簇是可選擇的。另外，配置檔案還定義了一些可選擇的zigbee協議託管服務.
基於簇及配置所定義的服務，使用者可使用配置檔案中定義的屬性編寫所需的函式.改寫自己的程式**.因此，配置檔案使得zigbee 裝置可以互操作。任何遵循某一標準配置檔案的節點都可以與其他實現相同配置檔案的節點進行互操作。也就是說，在使用同一標準配置檔案進行設計的基礎上，即使生產開關的廠家與生產控制器的廠家不同，他們生產的產品仍可實現協同操作.
以家庭智慧型系統中的燈光控制為例，燈配置檔案定義了6個裝置，協議棧通過帶有以下資訊的報標頭檔案對此配置提供支援：配置(profile)id,裝置id及版本，簇id，屬性id，屬性資料型別.
下圖(1)顯示了不同術語之間的關係，對於家庭智慧型控制系統的燈光配置，圖中給出了兩種裝置.每種裝置各有乙個終端.負荷切換控制器的終端中僅有乙個輸入簇，而遠端轉換控制終端則有兩個簇，且分別為乙個輸入乙個輸出.資料的傳輸基於簇而進行.
圖(1)
2 zigbee協議棧結構
如圖(2)所示，zigbee堆疊的不同層與802.15.4 mac通過服務接入點(sap)進行通訊。sap是某一特定層提供的服務與上層之間的介面。 zigbee堆疊的大多數層有兩個介面：資料實體介面和管理實體介面。資料實體介面的目標是向上層提供所需的常規資料服務。管理實體介面的目標是向上層提供訪問內部層引數、配置和管理資料的服務。圖中的apsde-sap，nlde-sap即為資料實體介面，而apsme-sap，nlme-sap即為管理實體介面。
圖(2)
3 zigbee協議的訊息格式及幀格式3.1 訊息格式
乙個zigbee訊息由127個位元組組成，它主要包括以下幾個部分：
mac報頭：該報頭包含當前被傳輸訊息的源位址及目的位址.若訊息被路由，則該位址有可能不是實際位址，產生及使用該報頭對於應用**是透明的.
aps報頭：該報頭包含了配置id，簇id及當前訊息的目的終端.同樣，報頭的產生及使用是透明的.
有效載荷：該域包含了待應用層處理的zigbee協議幀.
3.2 zigbee協議幀格式
zigbee協議定義了兩種幀格式：kvp關鍵值對及msg訊息幀.
kvp：是zigbee 規範定義的特殊資料傳輸機制，通過一種規定來標準化資料傳輸格式和內容，主要用於傳輸較簡單的變數值格式。
msg：是zigbee 規範定義的特殊資料傳輸機制，其在資料傳輸格式和內容上並不作更多規定，主要用於專用的資料流或檔案資料等資料量較大的傳輸機制。
kvp幀是專用的比較規範的資訊格式，採用鍵值對的形式，按一種規定的格式進行資料傳輸.通常用於傳輸乙個簡單的屬性變數值;而msg幀還沒有乙個具體格式上的規定，通常用於多資訊，複雜資訊的傳輸。kvp、msg是通訊中的兩種資料格式。如果將幀比作一封郵件，那麼信封、郵票、位址人名等資訊都是幀頭、幀尾，裡面的信件內容就是特定的資料格式kvp或msg。根據具體應用的配置檔案(profile)，kvp一般用於簡單屬性資料，msg用於較複雜的，資料量較大資訊。
4 定址
4.1 zigbee協議中的兩類位址
每乙個使用zigbee協議通訊的裝置都有乙個全球唯一的64位mac位址，該位址由24位oui與40位廠家分配位址組成，oui可通過購買由ieee分配得到，由於所有的oui皆由ieee指定，因此64位ieee mac位址具有全球唯一性.
當裝置執行加入網路操作時，他們會使用自己的擴充套件位址進行通訊。成功加入zigbee網路後，網路會為裝置分配乙個16位的網路位址。由此，裝置便可使用該位址與網路中的其它裝置進行通訊.
4.2 定址方式
該定址方式可用於加入乙個網路、查詢路由及執行zigbee協議的其它查詢功能。zigbee協議對廣播資訊包實現一種被動應答模式。即當乙個裝置產生或**乙個廣播資訊包時，它將偵聽所有鄰居的**情況。如果所有的鄰居都沒有在應答時限內複製資料報，裝置將重複**資訊包，直到它偵聽到該資訊包已被所有鄰居**，或廣播傳輸時間被耗盡為止。
5 資料傳輸機制
對於非信標網路，當乙個裝置想要傳送乙個資料幀時，它會等待通道空閒，直到檢測到通道為空後裝置會傳輸該幀。
若目的裝置為ffd全功能裝置，它的接收器應始終保持開啟狀態，以便其它的裝置可隨時向它傳輸資料。但是若裝置為rfd精簡功能裝置，無操作時裝置將關閉收發器以節約能量。此時rfd裝置無法接收到任何資料。因此，其它裝置只能通過rfd的ffd雙親向rfd裝置請求或傳送資料。直到rfd上電rx 收發器後，它會向雙親請求自己的資訊資料，若雙親緩衝區中存有發給孩子的資訊，則將該資訊發給孩子裝置。該操作模式可降低rfd的功耗，但相應的雙親 ffd節點應擁有足夠的ram空間，以便為孩子裝置緩衝資訊。若孩子裝置沒有在規定的時間內請求資訊，資訊將被丟失。
6 zigbee無線網路的形成
網路形成後，可能會出現網路重疊及pan id衝突的現象。協調器可以初始化pan id衝突解決程式，改變乙個協調器的pan id 與通道，同時相應修改其所有的孩子裝置。通常，zigbee裝置會將網路中其它節點資訊儲存在乙個非易失性的儲存空間-鄰居表中。加電後，若孩子裝置曾加入過網路，則該裝置會執行孤兒通知程式來鎖定先前加入的網路。接收到孤兒通知的裝置檢查它的鄰居表，並確定裝置是否是它的孩子，若是，裝置會通知孩子裝置它在網路中的位置，否則孩子裝置將作為乙個新裝置來加入網路。而後，孩子裝置將產生乙個潛在雙親表，並盡量以合適的深度加入到現存的網路中。
通常，裝置檢測通道能量所花費的時間與每個通道可利用的網路可通過scanduration掃瞄持續引數來確定，一般裝置要花費1分鐘的時間來執行乙個掃瞄請求，對於zigbee路由器與終端裝置來說，只需要執行一次掃瞄即可確定加入的網路。而協調器則需要掃瞄兩次，一次取樣通道能量，另一次則用於確定存在的網路。
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