zigbee的系统结构和组网方式..docxVIP

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：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