基于ZigBee協議棧的網絡管理研究

吳清秀

摘 要：隨著物聯網概念的不斷普及與深入，作為物聯網核心技術的無線傳感器網絡得到了越來越多的應用。ZigBee局域網協議遵循IEEE802.15.4標準，而且具有低功耗等特點。其網絡層主要涉及路由發現及路由維護，選擇最佳路由，把消息轉發至目的地，對基于ZigBee的網絡管理進行學習研究具有重要意義。

關鍵詞：ZigBee；協議棧；網絡管理；路由

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）07-00-02

0 引 言

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN） 是一種分布式傳感網絡。末梢由許多被部署在一定區域且通過無線方式通信的微型傳感器組成，這些網絡傳感節點往往是一個多跳、自組織的網絡系統，因此網絡設置的位置可以隨時更改，比較靈活。無線傳感器網絡的主要功能在于收集、感知和初步處理傳感網絡覆蓋范圍內所獲取對象的特定信息。但是傳感網的網絡拓撲結構對于網絡節點間的數據傳輸和網絡管理有著重要的作用，如何選擇高效、穩定的網絡拓撲來保證需求，常常引起研究者的注意。

1 ZigBee協議棧網絡管理服務

ZigBee協議棧的核心部分在網絡層（NWK），其主要職責是添加或刪除網絡節點、路由發現以及路由維護及傳送數據等功能。路由是在多個節點之間選擇合適的數據傳輸路徑，是一個將消息從節點到中繼再到其目的設備的過程。ZigBee端設備沒有路由發現功能，負責發現和維護網絡中的路由功能由ZigBee協調器和路由器提供。一般由ZigBee協調器端代表設備執行路由發現，ZigBee協調器的網絡層根據現有設備布置情況決定創建一個新的網絡和選擇網絡拓撲類型，設備節點的網絡地址由ZigBee協調器分配。其網絡管理過程需經過如下幾個步驟：

（1） 網絡發現，網絡發現過程用于發現所有目前在設備POS內運行的網絡。設備發現請求由應用層（APL）交給網絡層。NWK層使用介質訪問控制MAC層信道掃描來發現存在的其他網絡。在所有的掃描辦法中主動掃描是最優方式，如果設備不能進行主動掃描，那么設備將進行被動掃描。網絡發現會驗證在任何已發現的網絡中是否至少存在一個ZigBee路由器當前允許加入。

（2） 網絡形成，NWK層收到從APL層發來的請求后，可以把設備設定為ZigBee協調器，該設備必須是一個FFD。網絡形成的第一步是進行能量檢測掃描，然后對一組選定的信道進行掃描，基于MAC管理服務掃描結果在網絡層針對唯一的PAN標識符和選定的信道，從而一個新的網絡將選擇當前網絡層中網絡最少的信道來建立。0x0000作為它的MAC短地址被ZigBee協調器的網絡層所選擇，即網絡地址。

（3） 建立一個路由器設備，ZigBee路由器負責路由數據幀，路由發現以及路由修復。路由器能建立自己的超幀，并接受其他設備加入網絡的請求。APL層使用NLME_START_ROUTER.request原語發送請求給網絡層來建立一個路由設備。考慮到路由器能形成自己的超幀，這個原語包含的超幀參數有信標次序，超幀次序以及電池壽命范圍（BLE）。網絡層請求MAC創建或者更新超幀配置。

（4） 加入和離開網絡，如果MAC的MAC_ASSOCIATION_PERMIT屬性設置為TRUE，該設備將接受關聯請求。ZigBee協調器或路由器的網絡層可以通過請求MLME設置MAC_ASSOCIATION_PERMIT在一個固定的時間內為TRUE，以允許其他設備加入此網絡。這個固定時間被稱為允許周期。

如果關聯請求被父節點檢測到，以一個子節點是否已經在它的網絡中為判斷依據而查找它的鄰居表以確定請求加入的節點是否合法。若鄰居表沒有該節點地址，子節點就會收到一個唯一的網絡地址。每個父節點供給子節點的地址是在一定范圍內的。如果父節點更新了它的鄰居表，就表示該子節點的加入請求被接受，則父節點就把該設備當作它的子節點加入到鄰居表中。如果該子節點有過關聯該父節點的歷史，網絡層也會使用請求命令重新加入。即使父節點當前不接收任何新的子節點，該子節點設備也可以重新尋找其他父節點設備進行關聯。

在特定的網絡環境下也可以直接加入。如果父節點設備的地址池中配置了64位的子節點設備地址時，子節點設備可以直接加入。這種加入網絡的方式，父節點設備已經事先選擇關聯了子節點設備，子節點設備在使用過程中就不必再進行嘗試或關聯父節點設備。父節點在開啟網絡之初，首先通過鄰居表查詢當前子節點設備，在鄰居表中如果有子設備的64位地址，就表示找到匹配的地址，父節點就會停止搜索。如果鄰居表中沒有找到，且鄰居表未滿，父設備就會創建一個入口。

如果打算離開網絡的設備是ZigBee協調器或者路由器，那么設備可以通過將目的地址設置為廣播地址（Oxffff）來把網絡層的離開命令幀廣播到整個網絡。廣播離開命令的原因是讓所有依賴該路由器或者協調器的設備知道，如果有必要，它們需要更新自己的路由或者尋找新的父設備。相比較而言，ZigBee端設備只是單播離開命令給它的父設備。在這兩種情況下，請求網絡層開始離開的過程都由APL層使用NLME_LEAVE.request原語來實現，當父設備網絡需要刪除它的子設備時，子設備會接收到來自父設備的單播leave-request命令，如果子設備被從網絡中刪除，父設備的鄰居列表隨即得到更新。也可以重復使用以前子設備的地址，只要APL層在給NWK層的NLME_LEAVE.request原語中允許地址復用。如果被刪除的對象是一個充當ZigBee路由器的子設備，該子設備會通過設置目的地址為（Oxffff）來廣播一個離開命令。

（5） 復位網絡層，NWK層一旦收到下一個更高層的復位請求后就會進行一個復位操作，網絡層首先復位MAC層。接收到MAC復位確認后，網絡層把所有的NIB屬性、路由表以及路由發現表恢復到它們的默認值。APL層以NLME_RESET.request的形式發送復位請求給網絡層。網絡層通過向APL層發送NLME_RESET.confirm原語來確認復位操作的結果。設備在初始上電后，嘗試加入前以及離開網絡后都會進行網絡層復位。

（6） 同步，設備能使用同步過程來同步或者提取來自ZigBee協調器或路由器的待處理數據。有兩種同步場景是信標使能和非信標使能。將MacAutoRequest的值設置為TRUE可以讓MAC層自動產生并且發送數據請求命令。同步和數據請求過程在APL層使用NLME_SYNC.request來請求網絡層進行，NLME_SYNC.confirm傳遞給APL層達到實現同步的結果。

2 編程與實現

ZigBee是一個由可多達65 000個無線數傳模塊組成的無線數傳網絡平臺，其網絡主要是由協調器建立的，其他節點加入到網絡中，如果網絡中只有兩個節點，一個是協調器，另一個是路由器，則對路由器而言，協調器就是路由器的父節點，可以在路由器中調用獲取父節點的函數來完成本次操作。網絡在協調器通電后建立，節點自動加入網絡成為路由器，路由器通過調用一定的函數獲取本身的網絡地址、MAC地址、父節點網絡地址和父節點MAC地址，并通過串口將其輸出到PC機。網絡管理原理圖如圖1所示。

（1）協調器程序設計

#include "OSAL.h"

#include "AF.h"

#include "ADApp.h"

……

void GenericApp_Init（byte task_id）

{

GenericApp_TaskID = task_id；；

GenericApp_TaskID = 0；

GenericApp_epDesc.endpoint = GENERICAPP_ENDPOINT；

GenericApp_epDesc.task_id = &GenericApp_TaskID；

GenericApp_epDesc.simpleDesc = （SimpleDescriptionFormat_t *）&GenericApp_simpleDesc；

GenericApp_epDesc.latencyReq = noLatencyReqs；

afRegister（&GenericApp_epDesc）；

}

以上函數是任務初始化函數，實現了端口初始化和端口的注冊。

（2）路由器程序設計

#include "OSAL.h"

#include "AF.h"

#include "ADApp.h"

……

void ShowInfo（void）；

void To_string（uint8 *dest，char * src，uint8 length）；

typedef struct RFTXBUF

{

uint8 myNWK[4]； //存儲本節點的網絡地址

uint8 myMAC[16]； //存儲本節點的MAC地址

uint8 PNWK[4]； //存儲父節點的網絡地址

uint8 PMAC[16]； //存儲父節點的MAC地址

}RFTX；

void GenericApp_Init（byte task_id）

{

halUARTCfg_t uartConfig；

……

uartConfig.configured = TRUE；

uartConfig.baudRate = HAL_UART_BR_115200；

uartConfig.flowControl = FALSE；

uartConfig.callBackFun = NULL；

HalUARTOpen（0，&uartConfig）；

}

以上是任務初始化代碼。在路由器代碼中加入了串口的初始化函數，這樣就可以使用串口了。

3 結 語

ZigBee網絡是對基于IEEE802.15.4現有網絡應用的一種良好技術應用拓展，具有大量的市場應用需求和發展前景。ZigBee協議棧還在不斷升級，如何根據不同的需求設計高性能的ZigBee網絡，在使用無線傳感器網絡過程中，本文對基于ZigBee的網絡拓撲結構在網絡管理的數據傳輸部分進行了初步探討，如何選擇高效、穩定的網絡拓撲是一項很有意義的課題。

參考文獻

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