ZigBee網(wǎng)絡層構建及其核心機制研究.pdf

1、信息時代的到來促使了通信技術的迅猛發(fā)展,各種無線通信技術更是成為了人們爭相研究的熱點。各種技術在發(fā)展方向的定位上也變得更為理性,不再一味地追求遠距離,高速率等性能。因而造就了當前通信技術百花齊放的局面。人們可以根據(jù)實際應用的特點,更為靈活的選擇相適應的技術。 本文所要討論的就是這些個性十足的短距離無線通信技術中的一個：Zigbee。Zigbee以低功耗,低成本、低速率等為特點。如果以傳統(tǒng)的眼光來看,這種技術似乎無優(yōu)點可言。然而在

2、自動化和智能化越來越被看重的今天,Zigbee的獨特之處使其成為了最炙手可熱的無線通信技術之一。該技術將被廣泛的應用于家庭智能化、工業(yè)控制等眾多領域。 從體系結構上看,自下至上Zigbee由物理層、媒質訪問控制層、網(wǎng)絡層、應用支持層以及應用層構成。本文的工作將集中在網(wǎng)絡層上。對網(wǎng)絡層的研究工作是十分有意義的。一方面,網(wǎng)絡層承擔著承上啟下的作用。就規(guī)范定義的角度：網(wǎng)絡層由Zigbee聯(lián)盟進行規(guī)范；其最下兩層由IEEE802.15.

3、4小組定義；而其最上兩層的規(guī)范則由最終用戶決定。網(wǎng)絡層能否很好的提供兩者之間的銜接將直接影響到Zigbee技術的使用。就通信技術本身：網(wǎng)絡層將是通信子網(wǎng)與信息子網(wǎng)的隔離者,它的優(yōu)劣直接影響著通信及上層應用的質量。另一方面,在當前Zigbee芯片及模塊的生產都已經(jīng)相對成熟的市場條件下,能否建立起一個好的網(wǎng)絡就成了這項技術的新課題,而組網(wǎng)的工作正是由網(wǎng)絡層完成的。 本文在基于IEEE802.15.4標準的物理層和媒質訪問控制層軟件的

4、基礎上,完成了對Zigbee網(wǎng)絡層的開發(fā),最終形成了一個具有分布式管理功能的自組織、自適應網(wǎng)絡。 本文的具體工作內容可以分為三個方面。 第一,網(wǎng)絡層軟件平臺的搭建。在c語言的環(huán)境中,汲取了面向對象編程語言的理念,將各功能進行模塊化封裝,并采用隊列的方式對功能模塊進行管理。實際的工作包括了功能的模塊化、任務隊列、時鐘隊列的建立、維護。本文所采用的任務隊列管理方式,不僅使得ZigBee網(wǎng)絡體系結構的層次更為明晰；同時屏蔽了層

5、次間信息的流動方向,使得采用簡單函數(shù)調用時存在軟件結構混亂的情況得到了很好的解決。時間隊列的使用則減少了同時使用多個物理時鐘造成的器件功耗,并且解決了時鐘資源不足的問題。 第二,網(wǎng)絡層功能的實現(xiàn)。包括數(shù)據(jù)的處理、網(wǎng)絡發(fā)起、網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)、允許節(jié)點加入網(wǎng)絡、節(jié)點加入網(wǎng)絡、節(jié)點直接加入網(wǎng)絡、節(jié)點離開網(wǎng)絡、啟用路由、接收同步、信息庫維護及器件重啟等,共11個方面功能的實現(xiàn)。該部分的工作是為最終的網(wǎng)絡互聯(lián)以及數(shù)據(jù)的傳遞提供保障的。 第

6、三,網(wǎng)絡路由機制的設計與實現(xiàn)。包括網(wǎng)絡拓撲結構的選定；網(wǎng)絡地址分配機制的設計；網(wǎng)絡路由協(xié)議的改進。本文網(wǎng)絡地址的分配原則摒棄了傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡地址分配的隨意性,力求使網(wǎng)絡地址可以反映出一定的網(wǎng)絡拓撲信息來,以最終實現(xiàn)對AODV協(xié)議的改進。帶有拓撲信息的網(wǎng)絡地址使得在路由建立過程中,路由請求報文得以不以廣播的形式,而是一種更有目的性的方式進行傳播,從而從系統(tǒng)的級別上降低功耗,延長了網(wǎng)絡的存活時間。對網(wǎng)絡地址的分布式管理也使得在網(wǎng)絡拓撲結構發(fā)生