引言

        有人將ZigBee翻譯成「紫蜂」,，為無線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Personal Area Networks, WPAN)的標(biāo)準(zhǔn)之一，已于 2005年6月27日 公布,。除了邏輯鏈路控制(Logic Link Control, LLC)層,、媒介存取控制層（MAC），與物理層使用2003年10月公布的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)外,，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議制定了應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層,，及MAC、應(yīng)用層與網(wǎng)絡(luò)層的安全加密服務(wù)標(biāo)準(zhǔn),。

       
        以傳感器和自組織網(wǎng)絡(luò)為代表的無線應(yīng)用并不需要較高的傳輸帶寬,，但卻需要較低的傳輸延時(shí)和極低的功率消耗,，使用戶能擁有較長(zhǎng)的電池壽命和較多的器件陣列。目前迫切需要一種符合傳感器和低端的,、面向控制的,、應(yīng)用簡(jiǎn)單的專用標(biāo)準(zhǔn)，而Zigbee的出現(xiàn)正好解決了這一問題,。Zigbee有著高通信效率,、低復(fù)雜度、低功耗,、低速率,、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn),。這些優(yōu)點(diǎn)使得Zigbee和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起,。目前，基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)已得到越來越多的關(guān)注,。

１　Zigbee協(xié)議術(shù)語

       
        配置文件(profile)：Zigbee協(xié)議的配置文件是對(duì)邏輯組件及其相關(guān)接口的描述,，是面向某個(gè)應(yīng)用類別的公約、準(zhǔn)則．通常沒有程序代碼與配置文件相關(guān)聯(lián)．

        屬性（attribute）：設(shè)備之間通信的每一種數(shù)據(jù)像開關(guān)的狀態(tài)或溫度計(jì)值等皆可稱為屬性．每個(gè)屬性可得到唯一的ID值．

       
        簇（cluster）：多個(gè)屬性的匯集形成了簇,，每個(gè)簇也擁有一個(gè)唯一的ID,。雖然個(gè)體之間傳輸?shù)耐ǔＪ菍傩孕畔ⅲ^的邏輯組件的接口指的卻是簇一級(jí)的操作,，而非屬性一級(jí)．

        終端（endpoint）：每個(gè)支持一個(gè)或多個(gè)簇的代碼功能塊稱為終端,。不同的設(shè)備通過它們的終端及所支持的簇來進(jìn)行通信。

       
        配置文件定義了屬性ID與簇ID,，使之看起來就像設(shè)備的某種特性．以家庭智能控制系統(tǒng)為例,，燈配置文件設(shè)定了遠(yuǎn)程控制設(shè)備的簇OnOffDRC含有一種屬性ＯnOff，且該屬性為無符號(hào)８位值,，值０ＸＦＦ意味著＂開＂,，０Ｘ００為關(guān)，０ＸＦ０則為無效,。通常,，配置文件也為設(shè)備定義了，哪些簇是強(qiáng)制托管的,，哪些簇是可選擇的,。另外，配置文件還定義了一些可選擇的Ｚigbee協(xié)議托管服務(wù)．

        基于簇及配置所定義的服務(wù),，用戶可使用配置文件中定義的屬性編寫所需的函數(shù)．改寫自己的程序代碼．因此,，配置文件使得ZigBee
設(shè)備可以互操作。任何遵循某一標(biāo)準(zhǔn)配置文件的節(jié)點(diǎn)都可以與其他實(shí)現(xiàn)相同配置文件的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行互操作,。也就是說,，在使用同一標(biāo)準(zhǔn)配置文件進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,，即使生產(chǎn)開關(guān)的廠家與生產(chǎn)控制器的廠家不同，他們生產(chǎn)的產(chǎn)品仍可實(shí)現(xiàn)協(xié)同操作．

       
        以家庭智能系統(tǒng)中的燈光控制為例,，燈配置文件定義了６個(gè)設(shè)備,，協(xié)議棧通過帶有以下信息的報(bào)頭文件對(duì)此配置提供支持：配置（profile）ID,設(shè)備ＩＤ及版本，簇ＩＤ,，屬性ＩＤ,，屬性數(shù)據(jù)類型．

       
        下圖（1）顯示了不同術(shù)語之間的關(guān)系，對(duì)于家庭智能控制系統(tǒng)的燈光配置,，圖中給出了兩種設(shè)備．每種設(shè)備各有一個(gè)終端．負(fù)荷切換控制器的終端中僅有一個(gè)輸入簇，而遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)換控制終端則有兩個(gè)簇,，且分別為一個(gè)輸入一個(gè)輸出．?dāng)?shù)據(jù)的傳輸基于簇而進(jìn)行．

 2  Zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

        如圖(2)所示,，ZigBee堆棧的不同層與802.15.4 MAC通過服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)進(jìn)行通信。SAP是某一特定層提供的服務(wù)與上層之間的接口,。ZigBee堆棧的大多數(shù)層有兩個(gè)接口：數(shù)據(jù)實(shí)體接口和管理實(shí)體接口,。數(shù)據(jù)實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)。管理實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù),、配置和管理數(shù)據(jù)的服務(wù),。圖中的APSDE-SAP，NLDE-SAP即為數(shù)據(jù)實(shí)體接口,，而APSME-SAP,，NLME-SAP即為管理實(shí)體接口。

3　Zigbee協(xié)議的消息格式及幀格式

        3．1 消息格式

        一個(gè)Zigbee消息由127個(gè)字節(jié)組成,，它主要包括以下幾個(gè)部分：

        ＭＡＣ報(bào)頭：該報(bào)頭包含當(dāng)前被傳輸消息的源地址及目的地址．若消息被路由,，則該地址有可能不是實(shí)際地址，產(chǎn)生及使用該報(bào)頭對(duì)于應(yīng)用代碼是透明的．

        ＮＷＫ報(bào)頭：該報(bào)頭包含了消息的實(shí)際源地址及最終的目的地址,，該報(bào)頭的產(chǎn)生及使用對(duì)于應(yīng)用代碼是透明的．

        ＡＰＳ報(bào)頭：該報(bào)頭包含了配置ID,，簇ID及當(dāng)前消息的目的終端．同樣，報(bào)頭的產(chǎn)生及使用是透明的．

        有效載荷：該域包含了待應(yīng)用層處理的Zigbee協(xié)議幀．

        3．2 Zigbee協(xié)議幀格式

        Zigbee協(xié)議定義了兩種幀格式：KVP關(guān)鍵值對(duì)及MSG消息幀．

        KVP：是ZigBee 規(guī)范定義的特殊數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,，通過一種規(guī)定來標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)傳輸格式和內(nèi)容,，主要用于傳輸較簡(jiǎn)單的變量值格式。

        MSG：是ZigBee 規(guī)范定義的特殊數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,，其在數(shù)據(jù)傳輸格式和內(nèi)容上并不作更多規(guī)定,，主要用于專用的數(shù)據(jù)流或文件數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)量較大的傳輸機(jī)制。

       
        KVP幀是專用的比較規(guī)范的信息格式,，采用鍵值對(duì)的形式,，按一種規(guī)定的格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸．通常用于傳輸一個(gè)簡(jiǎn)單的屬性變量值；而MSG幀還沒有一個(gè)具體格式上的規(guī)定,，通常用于多信息,，復(fù)雜信息的傳輸,。KVP、MSG是通訊中的兩種數(shù)據(jù)格式,。如果將幀比作一封郵件,，那么信封、郵票,、地址人名等信息都是幀頭,、幀尾，里面的信件內(nèi)容就是特定的數(shù)據(jù)格式KVP或MSG,。根據(jù)具體應(yīng)用的配置文件（Profile）
,，KVP一般用于簡(jiǎn)單屬性數(shù)據(jù)，MSG用于較復(fù)雜的,，數(shù)據(jù)量較大信息,。
4　尋址

        4．1 Zigbee協(xié)議中的兩類地址

        Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)皆有兩個(gè)地址：６４位的ＩＥＥＥ　ＭＡＣ地址及１６位網(wǎng)絡(luò)地址．

       
        每一個(gè)使用Zigbee協(xié)議通信的設(shè)備都有一個(gè)全球唯一的６４位ＭＡＣ地址,，該地址由２４位ＯＵＩ與４０位廠家分配地址組成,，ＯＵＩ可通過購(gòu)買由ＩＥＥＥ分配得到，由于所有的ＯＵＩ皆由ＩＥＥＥ指定,，因此６４位ＩＥＥＥ?。停粒玫刂肪哂腥蛭ㄒ恍裕?/p>

       
         當(dāng)設(shè)備執(zhí)行加入網(wǎng)絡(luò)操作時(shí)，他們會(huì)使用自己的擴(kuò)展地址進(jìn)行通信,。成功加入Zigbee網(wǎng)絡(luò)后,，網(wǎng)絡(luò)會(huì)為設(shè)備分配一個(gè)１６位的網(wǎng)絡(luò)地址。由此,，設(shè)備便可使用該地址與網(wǎng)絡(luò)中的其它設(shè)備進(jìn)行通信．

        4．2 尋址方式

        單播：當(dāng)單播一個(gè)消息時(shí),，數(shù)據(jù)包的MAC報(bào)頭中應(yīng)含有目的節(jié)點(diǎn)的地址，只有知道了接收設(shè)備的地址,，消息方可以單播方式進(jìn)行發(fā)送,。

        廣播：要想通過廣播來發(fā)送消息，應(yīng)將信息包MAC報(bào)頭中的目的地址域置為0XFF,。此時(shí),，所有射頻收發(fā)使能的終端皆可接收到該信息。

       
        該尋址方式可用于加入一個(gè)網(wǎng)絡(luò),、查找路由及執(zhí)行ZigBee協(xié)議的其它查找功能,。ZigBee協(xié)議對(duì)廣播信息包實(shí)現(xiàn)一種被動(dòng)應(yīng)答模式。即當(dāng)一個(gè)設(shè)備產(chǎn)生或轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)廣播信息包時(shí),，它將偵聽所有鄰居的轉(zhuǎn)發(fā)情況,。如果所有的鄰居都沒有在應(yīng)答時(shí)限內(nèi)復(fù)制數(shù)據(jù)包，設(shè)備將重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)信息包,，直到它偵聽到該信息包已被所有鄰居轉(zhuǎn)發(fā),，或廣播傳輸時(shí)間被耗盡為止,。

5   數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

        對(duì)于非信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)一個(gè)設(shè)備想要發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)幀時(shí),，它會(huì)等待信道空閑,，直到檢測(cè)到信道為空后設(shè)備會(huì)傳輸該幀。

       
        若目的設(shè)備為FFD全功能設(shè)備,，它的接收器應(yīng)始終保持開啟狀態(tài),，以便其它的設(shè)備可隨時(shí)向它傳輸數(shù)據(jù)。但是若設(shè)備為RFD精簡(jiǎn)功能設(shè)備,，無操作時(shí)設(shè)備將關(guān)閉收發(fā)器以節(jié)約能量,。此時(shí)RFD設(shè)備無法接收到任何數(shù)據(jù)。因此,，其它設(shè)備只能通過RFD的FFD雙親向RFD設(shè)備請(qǐng)求或發(fā)送數(shù)據(jù),。直到RFD上電RX收發(fā)器后，它會(huì)向雙親請(qǐng)求自己的信息數(shù)據(jù),，若雙親緩沖區(qū)中存有發(fā)給孩子的信息，則將該信息發(fā)給孩子設(shè)備,。該操作模式可降低RFD的功耗,，但相應(yīng)的雙親FFD節(jié)點(diǎn)應(yīng)擁有足夠的RAM空間，以便為孩子設(shè)備緩沖信息,。若孩子設(shè)備沒有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)請(qǐng)求信息,，信息將被丟失。

6   Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的形成

       
        首先,，由Zigbee協(xié)調(diào)器建立一個(gè)新的Zigbee網(wǎng)絡(luò),。一開始，Zigbee協(xié)調(diào)器會(huì)在允許的通道內(nèi)搜索其它的Zigbee協(xié)調(diào)器,。并基于每個(gè)允許通道中所檢測(cè)到的通道能量及網(wǎng)絡(luò)號(hào),，選擇唯一的16位PAN
ID，建立自己的網(wǎng)絡(luò),。一旦一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)被建立,，Zigbee路由器與終端設(shè)備就可以加入到網(wǎng)絡(luò)中了。

        網(wǎng)絡(luò)形成后,，可能會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重疊及PAN ID沖突的現(xiàn)象,。協(xié)調(diào)器可以初始化PAN ID沖突解決程序，改變一個(gè)協(xié)調(diào)器的PAN ID 與信道,，同時(shí)相應(yīng)修改其所有的孩子設(shè)備,。通常，Zigbee設(shè)備會(huì)將網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)在一個(gè)非易失性的存儲(chǔ)空間-鄰居表中,。加電后,，若孩子設(shè)備曾加入過網(wǎng)絡(luò),，則該設(shè)備會(huì)執(zhí)行孤兒通知程序來鎖定先前加入的網(wǎng)絡(luò)。接收到孤兒通知的設(shè)備檢查它的鄰居表,，并確定設(shè)備是否是它的孩子,，若是，設(shè)備會(huì)通知孩子設(shè)備它在網(wǎng)絡(luò)中的位置,，否則孩子設(shè)備將作為一個(gè)新設(shè)備來加入網(wǎng)絡(luò),。而后，孩子設(shè)備將產(chǎn)生一個(gè)潛在雙親表,，并盡量以合適的深度加入到現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)中,。

       
        通常，設(shè)備檢測(cè)通道能量所花費(fèi)的時(shí)間與每個(gè)通道可利用的網(wǎng)絡(luò)可通過ScanDuration掃描持續(xù)參數(shù)來確定,，一般設(shè)備要花費(fèi)1分鐘的時(shí)間來執(zhí)行一個(gè)掃描請(qǐng)求,，對(duì)于Zigbee路由器與終端設(shè)備來說，只需要執(zhí)行一次掃描即可確定加入的網(wǎng)絡(luò),。而協(xié)調(diào)器則需要掃描兩次,，一次采樣通道能量，另一次則用于確定存在的網(wǎng)絡(luò),。