ZigBee无线网络设计及应用

　　ZigBee协议一个全球化的开放性标准，以实现测、控功能的众多应用提供低功耗的无线连接。ZigBee以灵活的、可扩充的网络拓扑、便于安装的综合设置和智能路由技术、高防故障能力，增强了IEEE802.15.4功能。ZigBee还具有严格的安全措施，可以和其它无线技术，如蓝牙和WiFi等在同一个工作环境中和平共处。

　　ZigBee的无线传输距离与工作环境密切相关。标准无线控制模块在0dBm输出功率时，室外工作距离可达450米，但在室内，由于墙体和其它物体的吸收、反射、衍射、驻波等效应，距离大大缩短;输出功率大于15dBm功率模块的工作距离约可增加10倍。此外，的网形，簇树形拓扑结构还能进一步增加工作距离。

　　通信的安全性与可靠性

　　由于通信会受到无线干扰和较差的发送/接收条件的破坏，ZigBee使用多项技术来确保通信的可靠性。首先，ZigBee网络在无线传输时采用编码机制。在2.4GHz频带采用的是正交移相键控(QPSK)调制技术，同时将4位数据符号变换为32位片序列。样，既使在同一信道内，在同一时间有其它无线信号，ZigBee消息也能完整地到达目的地。

　　其次，它的传输采用带冲突避免的载波侦听、多点接入方案。简单地说，节点在发送前首先要侦听信道，看它是否是畅通的。要是信道正工作着，节点延时后再次侦听，这样反复进行直到信道畅道为止才开始发送消息。其次，消息到达目的地后，接收设备要送一个确认信号来表示消息已经收到。如果发送设备没有收到确认信号，它将在一定时间间隔内再次发送原有的消息。

　　ZigBee内设"安全工具箱"来提供高安全性，主要措施有：

　　·接入控制表：只有预定义的"友好"节点才能加入网络;

　　·128位AES基加密技术：一种高安全的密钥基加密系统，某些无线微控制器还备有硬件保密功能。

　　·消息更新定时器：拒绝超时消息，防止外侵消息攻击网络。

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　　网络结构

　　ZigBee网络有三种拓扑形式：星形、簇树形和网形(图1)。消息从一个节点如何路由至另一个节点完全取决于网络拓扑。星形网络有一个中心节点，所有消息都经它传输。簇树形网络有一个顶端节点，下面有枝有叶，消息先上行再下传。网形网络与簇树形相似，但它的某些枝、叶可直接链接。

　　网络的基本单元是节点，单一网络最多可设65535个节点。按功能区分，有简化功能设备(RFD)和全功能设备(FFD)。前者按最少RAM和ROM资源实现的，设计成网络中简单的收/发节点。它能搜索现成网络，必要时传输应用数据，向网络协调器请求数据，多数时间处于休眠状态以节省电池功耗。后者可用作网络协调器，连接协调器或另一个通信设备。它还能发现其它RFD和FFD建立通信联系。

　　在具体网络中，逻辑设备类型是ZigBee协调器，ZigBee路由器和ZigBee端点设备。协调器启动网络、管理网络节点、存储网络节点信息。它还能提供路由消息、安全管理和其它服务。路由器与网络中成对节点的消息路由，可让子节点与它连接。终端节点不能传输消息，也不能连接其它子节点，它的主要任务是发送与接收消息。

　　ZigBee自形成和自愈网络结构允许数据和控制消息通过多条路径传输，这一特性扩展了网络的范围并提高了数据的可靠性。网络的对等功能可用于构建大型的，地域分散的网络，将小型网络连接在一起形成簇树网络。

　　应用数据类型

　　ZigBee网络应用广泛，应用不同，其获得的数据类型也不同，通常可分为3类：

　　·周期性数据。无线传感器和仪表应用定义的数据。这类数据由信标系统处理的，ZigBee的MAC具有用于时间同步的带信标超帧结构，在规定时间唤醒传感器，检测信标，交换数据，然后再次进入休眠状态。

　　·间歇性数据。无线照明控制或外部激励应用数据。在无信标或断开连接系统中处理数据，设备仅在需要通信时接入网络。

　　·重复的低等待时间数据。保安系统中采用时隙分配的应用数据。这些应用使用有保证的时隙(GTS)功能。局域网协调器为每个设备定义了一段专用时间，实现无争用、无等待的数据传输。

　　应用实例

　　在一个典型的家庭网络环境中，协调器通过开关(终端设备)对照明或家用电器(路由器)进行控制。以简单的照明控制为例，需要3块电路板。电路的核心是单片IEEE802.15.4无线控制芯片，它整合了32位RISC芯核和标准的2.4GHz收发器功能，还集成了64KB ROM和96KB RAM。微控制器是个高集成度器件，内部RAM支持协调器和路由器功能而无需外部SRAM。它还内置集成化硬件MAC和休眠振荡器和节能器件。构成完整的网络节点还需附加的晶振、闪存、去耦元件和印制天线(见图2)

　　上面已提及，PHY功能和软件MAC集成在无线控制芯片上，而软件MAC和应用层则在外部控制器执行。此外，构建网络应用产品还要提供一套库功能，包括设备驱动器和典型的传感器与控制驱动器。

　　本文描述的无线照明控制应用执行ZigBee家庭控制照明(HCL)配置文件。协调器自动地执行协议栈软件，完成各种动作，如允许设备加入到网络、分配地址，将端点捆绑到其它节点，传送数据。这些操作对用户是透明的，以尽可能地简化应用程序。开关传感器扳用作网络终端设备，照明灯传感器板是路由器，其软件搜寻网络、请求加入网络，然后再发送请求将它们捆绑在一起。

　　本应用使用简单的捆绑技术，当协调器收到2个终端设备捆绑请求后，立即进行配比，如果配比成功，就将它们加入捆绑表中。配比是在相同的输入和输出聚类表的端点间进行的。 一旦一对端点捆绑后，就可以从任意一个节点发送数据。数据包自动地发送至协调器，经查找捆绑表找到目的地后，将数据中继至该地址。