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[摘 要]随着社会的发展，无线网络的发展经历了巨大变革。Bluetooth、WiFi等无线通讯技术发挥自身优势，给人们的生活带来方便。同时，这两种技术存在不足，功耗大，组网规模小等。ZigBee作为一种个人网络的短程通信协议，已经日益为大家所熟知，在低信噪比的环境下ZigBee技术的性能超群。2005年到2012年期间，ZigBee芯片销售收入年均复合增长率为63%。探讨了ZigBee技术的特点、网络结构、地址分配机制及应用。
[关键词]物联网 ZigBee 网络
中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0255-01
随着技术的发展，物联网引起了越来越多的关注，成为继计算机、互联网之后的又一次信息产业的革命性发展。物联网的发展涉及多种关键技术，ZigBee是其中不可缺少的技术之一。物联网体系结构大致分为三层：感知层、网络层、应用层。ZigBee无线网络属于三层结构中的感知层。
ZigBee在国内的应用范围与日俱增。随着ZigBee2007 Pro正式版本协议的公布，各级科研机构将更多的注意力和研发力量转到应用的设计和实现等方面。已经有越来越多的内置式ZigBee功能的设备进入人们的生活，极大地改善了人们的生活方式。
ZigBee采用较低的数据传输率，较低的工作频段和容量更小的协议栈，并且将设备的ZigBee模块在未使用的情况下进入休眠状态，这样从整体上降低其功耗。
1.ZigBee网络拓扑结构
ZigBee规范定义了协调器、路由器和终端设备三种类型的设备。协调器在一个网络中只允许有一个，负责该网络正常工作以及保持同网络中其他设备的通信，维护邻居列表。协调器可以保持间接寻址用的绑定表格，对逻辑网络地址进行分配，支持关联，允许设备MAC层/应用层的连接或断开网络，同时还能设计信任中心和执行其他活动。路由器用在网状和树状网络中，是一种支持关联的设备，可用它将消息转发到其他设备。路由器也具有协调器所拥有的部分功能：维护邻居设备表，对逻辑网络地址进行分配，允许设备MAC层/应用层的连接或断开网络。终端设备使用ZigBee网络到达需要与其通信的设备，较低的存储器容量需求可以实现ZigBee的低功耗设计，不用处理链路状态命令帧，不能参与多播帧的中继。所有ZigBee设备都具有连接或断开网络的功能。根据功能的完整性，可将协调器、路由器和终端设备分为FFD（全功能）设备和半功能（RFD）设备，半功能设备只能用作终端设备。在特定的网络中，FFD设备可以与多个RFD设备或多个FFD设备进行通信，而RFD设备只能与一个FFD设备通信。
ZigBee网络层支持星状网络拓扑结构、网状网络拓扑结构、树状网络拓扑结构。
（1）星状网络拓扑结构
在星状网络拓扑结构中，当协调器被激活后，它就会建立一个自己的网络。星状网络的操作独立于当前其他星状网络的操作，这就说明了在星状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。无论是路由或是终端都可以加入到这个网络中。星状网络拓扑结构对资源的要求最低。
（2）网状网络拓扑结构
网状拓扑结构是一种多跳的网络系统。网络中节点可以直接相互通信，每一次通信网络都会选择一条或多条路由进行数据传输，将所要传输的数据传递给目的节点。网状网络中的源节点都有多条路径到达目的节点，因此节点容故障能力强。在网状网络拓扑结构中不允许信标。
（3）树状网络拓扑结构
树状网络拓扑结构包含一个中心协调器和一系列的路由器和终端设备节点。协调器和路由器可以包含自己的子节点，终端设备节点不能有自己的子节点。树形拓扑的通信规则中，每一个节点都只能和它的父节点或子节点通信。
2.建立ZigBee网络
2.1 工程文件配置
在ZigBee工程文件中，CoordinatorEB-Pro表示协调器文件，RouterEB-Pro表示路由器文件，EndDeviceEB-Pro表示终端设备文件。
协调器将扫描DEFAULT_CHANLIST指定的通道，最后在其中之一上形成网络。
PANID是一个32位标设，范围从0x0000-0xFFFF，ZigBee协议栈中是通过ZDAPP_CONFIG_PAN_ID来设置一个初始的PANID，如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID被定义为0xFFFF，那么协调器将根据自身的IEEE地址建立一个随机的PAN ID。如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID没有被定义为0xFFFF，那么协调器建立网络的PAN ID将由ZDAPP_CONFIG_PAN_ID指定。路由器节点或者终端节点将会被强制加入到ZDAPP_CONFIG_PAN_ID定义的网络。反之随机加入网络。
路由器和终端设备启动后，将扫描DEFAULT_CHANLIST指定的频道。
2.2 分布式地址分配机制
可以根据下面的公式来计算某父设备的路由器子设备之间的短地址间隔Cskip（d）：
其中，Cm（nwkMaxChildren）为父设备能够拥有的子设备的数量的最大值，Lm（nwkMaxDepath）为网络的最大深度，Rm（nwkMaxRouters）为子设备中允许路由器的最大个数，d为该设备深度。协调器的网络深度为0，其子节点网络深度为1，再向下一级设备网络深度增加1。
父设备分配的第1个路由器地址=父设备地址+1，第2个路由器地址=父设备地址+1+Cskip（d），第3个路由器地址=父设备地址+1+2×Cskip（d），依次类推。计算Aparent这个父设备分配的第n个终端设备地址An的公式如下：
2.3 建网流程图
网络的建立由应用层开始。应用层向网络层发送指令，网络层又与MAC层互相通信，最后再次到达应用层。
3.测试结果
设计的网络可以采集周围环境的温度和光照度。网络由一个协调器和四个节点组成，四个节点中可以随机有两个路由器和两个终端节点。实验过程中，节点位置不变。节点通上电后，给各节点烧写物理地址，用仿真器给各节点下载相应程序。节点组网完成后，节点采集的温度和光照度数据显示在协调器显示屏上，每隔两秒自动更新一次，超过阈值会启动自动报警功能。
结果如图5。
4.小结
ZigBee技术是物联网发展过程中不可缺少的部分之一。文中分析了ZigBee网络概况、组网过程及使用网络测试结果。
参考文献
[1] 原羿，苏鸿根.基于ZigBee技术的无线网络应用研究[J].计算机应用与软件，2004.1，21（6），89-91.
[2] 吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京航空航天大学出版社，2008.2.
[3] 无线龙.ZigBee无线网络原理[M].冶金工业出版社，2011.9.
[4] ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践[M].北京航空航天大学出版社，2009.3.
[关键词]物联网 ZigBee 网络
中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）25-0255-01
随着技术的发展，物联网引起了越来越多的关注，成为继计算机、互联网之后的又一次信息产业的革命性发展。物联网的发展涉及多种关键技术，ZigBee是其中不可缺少的技术之一。物联网体系结构大致分为三层：感知层、网络层、应用层。ZigBee无线网络属于三层结构中的感知层。
ZigBee在国内的应用范围与日俱增。随着ZigBee2007 Pro正式版本协议的公布，各级科研机构将更多的注意力和研发力量转到应用的设计和实现等方面。已经有越来越多的内置式ZigBee功能的设备进入人们的生活，极大地改善了人们的生活方式。
ZigBee采用较低的数据传输率，较低的工作频段和容量更小的协议栈，并且将设备的ZigBee模块在未使用的情况下进入休眠状态，这样从整体上降低其功耗。
1.ZigBee网络拓扑结构
ZigBee规范定义了协调器、路由器和终端设备三种类型的设备。协调器在一个网络中只允许有一个，负责该网络正常工作以及保持同网络中其他设备的通信，维护邻居列表。协调器可以保持间接寻址用的绑定表格，对逻辑网络地址进行分配，支持关联，允许设备MAC层/应用层的连接或断开网络，同时还能设计信任中心和执行其他活动。路由器用在网状和树状网络中，是一种支持关联的设备，可用它将消息转发到其他设备。路由器也具有协调器所拥有的部分功能：维护邻居设备表，对逻辑网络地址进行分配，允许设备MAC层/应用层的连接或断开网络。终端设备使用ZigBee网络到达需要与其通信的设备，较低的存储器容量需求可以实现ZigBee的低功耗设计，不用处理链路状态命令帧，不能参与多播帧的中继。所有ZigBee设备都具有连接或断开网络的功能。根据功能的完整性，可将协调器、路由器和终端设备分为FFD（全功能）设备和半功能（RFD）设备，半功能设备只能用作终端设备。在特定的网络中，FFD设备可以与多个RFD设备或多个FFD设备进行通信，而RFD设备只能与一个FFD设备通信。
ZigBee网络层支持星状网络拓扑结构、网状网络拓扑结构、树状网络拓扑结构。
（1）星状网络拓扑结构
在星状网络拓扑结构中，当协调器被激活后，它就会建立一个自己的网络。星状网络的操作独立于当前其他星状网络的操作，这就说明了在星状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。无论是路由或是终端都可以加入到这个网络中。星状网络拓扑结构对资源的要求最低。
（2）网状网络拓扑结构
网状拓扑结构是一种多跳的网络系统。网络中节点可以直接相互通信，每一次通信网络都会选择一条或多条路由进行数据传输，将所要传输的数据传递给目的节点。网状网络中的源节点都有多条路径到达目的节点，因此节点容故障能力强。在网状网络拓扑结构中不允许信标。
（3）树状网络拓扑结构
树状网络拓扑结构包含一个中心协调器和一系列的路由器和终端设备节点。协调器和路由器可以包含自己的子节点，终端设备节点不能有自己的子节点。树形拓扑的通信规则中，每一个节点都只能和它的父节点或子节点通信。
2.建立ZigBee网络
2.1 工程文件配置
在ZigBee工程文件中，CoordinatorEB-Pro表示协调器文件，RouterEB-Pro表示路由器文件，EndDeviceEB-Pro表示终端设备文件。
协调器将扫描DEFAULT_CHANLIST指定的通道，最后在其中之一上形成网络。
PANID是一个32位标设，范围从0x0000-0xFFFF，ZigBee协议栈中是通过ZDAPP_CONFIG_PAN_ID来设置一个初始的PANID，如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID被定义为0xFFFF，那么协调器将根据自身的IEEE地址建立一个随机的PAN ID。如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID没有被定义为0xFFFF，那么协调器建立网络的PAN ID将由ZDAPP_CONFIG_PAN_ID指定。路由器节点或者终端节点将会被强制加入到ZDAPP_CONFIG_PAN_ID定义的网络。反之随机加入网络。
路由器和终端设备启动后，将扫描DEFAULT_CHANLIST指定的频道。
2.2 分布式地址分配机制
可以根据下面的公式来计算某父设备的路由器子设备之间的短地址间隔Cskip（d）：
其中，Cm（nwkMaxChildren）为父设备能够拥有的子设备的数量的最大值，Lm（nwkMaxDepath）为网络的最大深度，Rm（nwkMaxRouters）为子设备中允许路由器的最大个数，d为该设备深度。协调器的网络深度为0，其子节点网络深度为1，再向下一级设备网络深度增加1。
父设备分配的第1个路由器地址=父设备地址+1，第2个路由器地址=父设备地址+1+Cskip（d），第3个路由器地址=父设备地址+1+2×Cskip（d），依次类推。计算Aparent这个父设备分配的第n个终端设备地址An的公式如下：
2.3 建网流程图
网络的建立由应用层开始。应用层向网络层发送指令，网络层又与MAC层互相通信，最后再次到达应用层。
3.测试结果
设计的网络可以采集周围环境的温度和光照度。网络由一个协调器和四个节点组成，四个节点中可以随机有两个路由器和两个终端节点。实验过程中，节点位置不变。节点通上电后，给各节点烧写物理地址，用仿真器给各节点下载相应程序。节点组网完成后，节点采集的温度和光照度数据显示在协调器显示屏上，每隔两秒自动更新一次，超过阈值会启动自动报警功能。
结果如图5。
4.小结
ZigBee技术是物联网发展过程中不可缺少的部分之一。文中分析了ZigBee网络概况、组网过程及使用网络测试结果。
参考文献
[1] 原羿，苏鸿根.基于ZigBee技术的无线网络应用研究[J].计算机应用与软件，2004.1，21（6），89-91.
[2] 吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京航空航天大学出版社，2008.2.
[3] 无线龙.ZigBee无线网络原理[M].冶金工业出版社，2011.9.
[4] ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践[M].北京航空航天大学出版社，2009.3.