自组织ZigBee网络节点通信研究
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128 2009年第12期，第42卷 通 信 技 术 Vol.42，No.12,2009 总第216期 Communications Technology No.216,Totally
自组织ZigBee网络节点通信研究
徐 志， 陈彬兵 （四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065）
【摘 要】对自组织ZigBee网络的原理进行了研究，并抓住其精髓进行了剖析，给出了自组织ZigBee网络节点通信流程和软件流程。自组织ZigBee网络每个节点只和其邻近节点通信，从一个节点发出的数据包将根据相关协议的配置多跳传递到目的节点。网络中的每台设备都可直接通信，或者通过网络的转发而连接到其他设备。每个网络节点都具有选路功能，如果其中的某一条链路出现了故障，节点便可以自动转向其他可选链路进行接入，因而减轻了业务执行时发生冲突的可能性。自组织ZigBee网络的研究，对网络中的资源节俭，网络的维护与操作，升级与扩容有着指导意义。 【关键词】无线传感器网络；自组织；节点；通信；路由 【中图分类号】TP393.17 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2009)12-0128-04
Self-organizing ZigBee Network Node Communication
XU Zhi， CHENG Bin-bing （School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Sichuan Chengdu 610065, China）
【Abstract】The principle of self-organizing ZigBee networks is studied and analyzed, the flow chart of node communication and software of self-organizing ZigBee network is given. Each node of the network makes communication only with its adjacent node, and the date-packet sent by each node in accordance with the agreement of the relevant multi-hop configuration is delivered to the destination node. Each equipment of network could make direct communication, or through network forwarding, is connected to other devices. Each network node has its routing function, and if a link fails, the node would automatically turn to other available links for access, thus reducing the conflicts. The study on self-organizing ZigBee network, could give a guide for resources saving of network, network maintenance and operations, expansion and upgrading. 【Key words】wireless sensor network; self-organization; node; communication; routing
0 引言 无线传感器网络[1-2]能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境和对象的信息，并对它进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的网络方式传送给观察者。ZigBee是一种新兴的免费频段、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。ZigBee协议 栈[3-4]是基于标准的OSI七层模型，但只是在相关的范围来定义一些相应层以完成特定的任务。ZigBee协议由物理层(PHY)、介质访问控制层(MAC)、网络层(NWK)，应用层(APL)及安全服务提供层(SSP)五块内容组成。 1 自组织ZigBee网络优点 在自组织ZigBee网络中[5-6]，每个节点只和其临近节点通信，从一个节点发出的数据包将根据相关协议的配置多跳传递到目的节点，这种结构与传统网络结构相比具有较多的优势：可靠性提高，冲突减轻，维护方便，具有自组织性，多跳通信，动态性等等。自组织ZigBee网络[7]具有一定的动
态性，网络中的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性，并且经常有新节点加入或已有节点失效，因此，网络的拓扑结构会经常动态变化，传感器、感知对象和观察者三者之间的路径也随之变化，另外无线传感器网络必须具有可重构和自调整性。网络中节点通信距离有限，一般在几百米范围内。如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行通信，则需要通过中间节点进行路由。固定网络的多跳路由使用网关和路由器来实现，而无线传感器网络中的多跳路由是
收稿日期：2008-11-30。 作者简介：徐 志（1985-），男，硕士研究生，主要研究方向为智能测控与计算机网络；陈彬兵（1966-），女，硕导，副教授，主要研究方向为智能控制，全集成自动化。 129
由普通网络节点完成的，没有专门的路由设备。 2 自组织ZigBee网络多跳路由通信流程 ZigBee网络含三种类型的节点，即协调器 ZC(ZigBee Coordinator)、路由器 ZR(ZigBeeRouter)和终端设备 ZE(Zig BeeEndDeviee)，其中协调器和路由器均为全功能设备(FFD)，而终端设备选用精简功能设备(RFD)。 网关：完成通过计算机发送的指令发送或接收路由节点或者传感器节点数据，并将接收到的数据发送给计算机。 协调器：一个ZigBee[7]网络有且仅有一个协调器，该设
备负责启动网络，配置网络成员地址，维护网络，维护节点的绑定关系表等，需要最多的存储空间和计算能力。 路由器：主要实现扩展网络及路由消息的功能，扩展网络，即作为网络中的潜在父节点，在网关不能和所有的终端节点通信时，允许更多的设备接入网络，路由节点作为一种中介使网关和传感器节点通信，实现路由通信功能，同时路由器具有采集传感器数据功能。路由节点只有在树状网络和网状网络中存在。 终端设备：不具备成为父节点或路由器的能力，一般作为网络的边缘设备，负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动通讯，具体的信息路由则全部交由其父节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成。不含网关的网络示意图如图1。
图1 自组织ZigBee网络简略 网络节点组件：PAN 协调器：每个WSN 均有一个PAN 协调器，允许连接所有其他形式的ZigBee器件以形成网络[8]。路由器：路由数据；允许终端设备与其他路由器自动接入。终端设备：连接到协调器或路由器，仅将数据发送至相关的器件，不能由其他器件自动加入，不发送数据。 （1）网络形成和节点应用绑定[8] ：建立协调器（P）并
上电，启动网络。路由设备分别为：R1，R2，R3，R4，R5，R6。终端设备对应为：P1,P2…Pn；R11,R12…R1n；R21,R22…R2n；R31,R32…R3n ；R41,R42...R4n；R51,R52…R5n；R61,R62…R6n。(n<=255)。协调器发送信标，组建网络，并将P 绑定至R3，见图2；将R1 绑定至R2，见图3。 （2）节点间多跳路由通信：R4通过多跳和R5进行路由通信，见图4；R6通过多跳和R3进行路由通信，见图5。
图2网络形成 图3 节点应用绑定 图4 节点R4通过多调和R5通信 图5 节点R6通过多跳和R3通信 130
（3）节点2移动下的动态网络和节点R2故障下的ZigBee自组织网络，见图6和图7。
图6节点R2移动时的动态自组织网络 图7 节点R2故障时的自组织网络 （4）R2故障情况下的节点通信自恢复[8]，见图8和图9。
图8 节点R2故障时，节点R4和R5自恢复通信 图9 节点R2故障时，节点R6和R3自恢复通信 3 通信实现的流程 自组织ZigBee网络[8]流程如图10(省略网关和终端设备)：
图10 ZigBee网络通信流程 131
为了增强网络的信息采集和获取能力，融合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术的定位感知技术应运而生，进而成为ZigBee[9]无线传感器网络。它是由大量传感器
结点通过无线通信技术自组织构成的网络，可实现数据的采集量化、处理融合和传输应用。采集系统通过传感器采集车辆和路面信息，策略控制系统根据设定的目标(如通行量最大、或平均候车时间最短等)运用计算方法(例如模糊控制、遗传算法等)计算出最佳通行路线方案，并进行实时通行导航，通过提高对交通信息的有效使用和管理来提高交通系统的效率。
4结语 本文对自组织ZigBee网络的通信原理进行了研究，并抓住其精髓进行了剖析，实现了自组织ZigBee网络节点间多跳通信和软件流程。自组织ZigBee网络每个节点只和其临近节点通信，从一个节点发出的数据包将根据相关协议的配置多跳传递到目的节点。网络中的每台设备都可直接通信，或者通过网络的转发而连接到其他设备，这种网络免去了昂贵的蜂窝塔的需求，同时也免除了由于通信链路集中而造成的传输瓶颈。
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