基于ZigBee的无线传感器网络研究

摘要：为了验证ZigBee协议的有效性，叙述了新型无线ZigBee通信技术，介绍ZigBee协议的结构和特点，基于ZigBee协议的无线网络设备以及网络拓扑结构；ZigBee标准协议栈结构及数据在协议栈内部的传输机制。以两个网络设备成网为例，详细给出了ZigBee设备形成网络时，各个设备的工作状态、设备之间网络连接过程以及数据帧的发送过程。最后，通过Microchip公司的ZigBee实验平台验证了ZigBee无线星型组网，实验证明，ZigBee技术是有效的无线传感器网络组网技术。
关键词：ZigBee技术；无线传感器网络；协议栈；无线星型网络

0 引言
ZigBee是一种新兴的短距离、低功率、低速率的无线接人技术，工作于无须注册的2．4 GHz ISM频段，传输速率为10～250 Kb／s，传输距离为10～75 m。该项技术自2002年起由ZigBee技术联盟研究开发，采用IEEE 802．15．4标准作为其物理层和媒体接入子层标准、网络层及上层标准，即ZigBee技术标准。
以传感器和自组织网络为代表的无线应用并不需要较高的传输带宽，但却需要较低的传输延时和极低的功率消耗。因此，迫切需要一种符合传感器和低端的、面向控制的、应用简单的专用标准，ZigBee技术的特点使它与无线传感器网络完美地结合在一起。本文以ZigBee技术为背景，研究基于ZigBee的无线传感器网络。

1 ZigBee网络设备及网络拓扑
ZigBee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)，一种是简化功能的设备(RFD)。在网络中，FFD通常有3种工作状态：作为个人区域网络的协调器(PAN)；作为路由器；作为一个终端设备。一个FFD可以同时和多个RFD或多个其他的FFD通信，而对于RFD，它只能和一个FFD进行通信，故只能作为终端设备。
ZigBee协调器，即ZigBee的个域网协调器，是网络建立的起点，负责网络的初始化，确定个域网标识符和网络工作的物理信道，并统筹短地址的分配。ZigBee协调器必须是全功能设备，并且一个网络只有一个协调器。ZigBee路由器是一个全功能设备，类似于定义的协调器，在接入网路后，它能获得一定的16位短地址空间。在其通信范围内，它能允许其他节点加入或者离开网络，分配及收回短地址，路由和转发数据。ZigBee终端设备，既可以是全功能设备，也可以是简化功能设备，它只能与其父节点通信，从其父节点处获得网络标识符、短地址等相关信息。
ZigBee网络由FFD和RFD组成，网络有两种拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构。具体拓扑结构如图1所示。星型拓扑网络是由一个PAN协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须是一个FFD设备，从设备既可以是FFD也可以RFD；对等网络拓扑结构也存在协调器，该网络不同于星型拓扑结构，在该拓扑结构中任何设备只要在其通信范围之内，就可以和其他设备进行通信。

2 ZigBee协议栈
根据ZigBee联盟公布的ZigBee技术标准，各个芯片生产厂家都公布了基于自己产品的ZigBee协议栈。有TI公司、AVR公司、Microchip公司等，其中TI公司及Microchip公司开发了源代码开放的ZigBee协议栈。本文介绍Microchip公司基于ZigBee 2006标准的ZigBee协议栈。