基于ZigBee的无线粮情监测系统节点设计 - 图文

图2-2 ZigBee 协议栈通信模型流程图

Figure 2-2 ZigBee communication protocol stack model flow chart

物理层规范：物理层定义了无线连接所必需的机械和电气特性，通过射频模块为媒体访问控制层与物理无线信道之间的通信提供接口，主要负责维护物理层 PAN 信息库，还定义物理层管理实体以提供调用物理层管理功能的管理服务接口。物理层主要提供以下服务：启动无线射频收发装臵；能量检测；链路质量指示；空闲信道评估；信道选择以及数据的接受与发送。物理层的帧格式如下表所示：

表2-1 ZigBee 物理层帧格式

Table 2-1 ZigBee physical layer frame format

媒体访问控制层规范：媒体访问控制层定义特定服务汇聚子层和物理层之间的接口，还

定义媒体访问控制层管理实体以提供调用媒体访问控制层管理功能的管理服务接口，并且负责维护媒体访问控制层 PAN 信息库。媒体访问控制层负责的任务主要是协调器产生网络信标、信标同步、CSMA-CA 信道访问机制、支持PAN 关联和解关联、处理和维护保证时隙机制，在两个对等媒体访问控制层实体间提供可靠链路。媒体访问控制层帧格式为：

表 2-2 ZigBee 媒体访问控制层帧格式

Table 2-2 ZigBee media access control layer frame format

帧控制字段的格式如下：

表 2-3 ZigBee 媒体访问控制层帧控制字段格式

Table 2-3 ZigBee media access control layer frame control field format

网络层规范：网络层为下层媒体访问控制层提供正确工作的能力，及上层应用层提供合适的服务接口。为了给应用层提供相应的服务和必要的功能，网络层定义和包含了两个服务实体：一个是通过数据实体的服务接入点为应用层提供数据服务的网络层数据实体，另一个则是为应用层提供管理服务的网络层管理实体，主要是通过管理实体服务接入点为上层提供服务。网络层实现的功能主要是：

1.网络和设备维护：所有的 ZigBee 网络设备都应具备的功能——加入或者离开网络；而路由器和协调器还应具有：允许其他子节点加入或离开网络，维护邻近设备列表，参与分配网络逻辑地址等功能。协调器相比路由器更加高级，还应具备创建一个新网络的功能。

2.发送和接收：已经加入无线局域网络的 ZigBee 设备才可以在网络层发送帧数据，如果不在此网路中的设备收到了发送请求，该设备将丢弃此请求并通知上层为无效的请求数据。网络层发送的数据必须符合网络层的帧格式，网络层数据实体调用媒体访问控制层数据服务原语把帧递交给媒体访问控制层，发送结果通过证实原语反馈给网络层。设备在接受数据时，应用层通过其网络层管理实体同步请求原语启动接受过程，初始化设备。接收到帧时，先检测安全子域里的值是否为零，为 0 则不需要进行安全处理，否则数据实体将把接收到的帧提交给服务安全模块作解安全处理。

3.路由功能：只有网络协调器节点和路由器节点具备路由功能，代表上层或其他 ZigBee 路由器转发数据帧，为后面的数据帧建立路由，并且代表终端设备及后面的数据参与路由发现，参与端到端及本地路由修复， ZigBee 路径成本度量。 网络层帧的一般格式为：

表 2-4 ZigBee 网络层数据格式 Table 2-4 ZigBee network layer data format

应用层规范： ZigBee 应用层包括应用支持子层、ZigBee 设备对象和厂定义的应用对象等。应用支持子层主要负责维护绑定表，并且通过这些绑定表传递信息，还包括使用 ZigBee 设备对象及厂商定义的应用对象通用的一组服务为网络层和应用层之间的数据传输提供服务接口；ZigBee 设备对象根据设备在网络中的应用功能把它们定义为协调器、路由器或子节点，并且建立设备之间的安全关系。应用支持子层的帧格式如下：

表 2-5 ZigBee 应用支持子层的帧格式

Table 2-5 Frame format of ZigBee application support sublayer

2.5 ZigBee 网络拓扑结构

2.5.1 定义设备类型

ZigBee的整体协议是由两个不同的主体定义完成的，IEEE802.15.4和ZigBee联盟。其中前者定义了两种类型的设备，全功能设备(FFD)和精简功能设备（RFD），全程为FullFunctionDevice 和 ReducedFunctionDevice。在这里，全设备之间以及和其它设备都是可以通信的，而精简设备只能和全设备进行通信。ZigBee 联盟规范了三种类型的设备：协调器（Coordinator）、终端设备（EndDevice)和路由器（Router）。协调

器是组建网络的起始点，对无线网络进行初始化，指定这个网络标示符，选择通信中采用哪个物理信道进行信息传输，还有就是对网络短地址进行合适的分配。网络中存在的协调器属于全设备的类型，且它在网络中的数目只有一个。路由器加入到协调器构建的网络后，自己拥有一定的网络地址容量，在它的工作范围之内，能够使其他节点加入到整个网络或者让其脱离整个网络、对其那些设备分配网络地址和擦除网络地址、进行路由性能和作为中转站传输数据。终端设备之间不可以进行通信，只有和可以作为它的父设备的之间才可以进行通信，它从父设备得到这个网络的标示符、网络短地址和与之相关的信息等。ZigBee 协议定性的无线通信网络可以容纳的设备数目为 65535 个，相互之间的传输距离为 50m，这些都是理论上所允许的。由于每个节点设备还可以充当中转性能的节点，所以网络中就会容纳下更加多的节点，这完全符合粮情监测的课题。相对应的，在本文中对于粮情监测的大环境，也定性了三种类型的设备：作为协调器的设备、作为路由器的设备和作为终端的设备。由于路由设备的终极目的是用来进行数据中转功能的，所以它应该属于全功能设备的类型。 2.5.2网络拓扑结构

Zigbee以一个个独立的工作节点为依托，通过无线通信组成星型状、串（树）状或网状网络，网络的拓扑结构是通过软件实现的。因此，每个节点的功能都并非相同。为降低成本，系统中大部分的节点为子节点，从组网通信上，它只是其功能的一个子集，成为半功能设备（RFD）；而另外还有一些节点，负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制，或起到通信路由的作用，称之为全功能设备（FFD），在组建无线网络时要根据工作场所环境的具体情况选择合适网络拓扑结构。一个合适的网络拓扑要考虑到整个无线局域网络的成本、网络维护的难易程度还有网络的可靠性和稳定性，以避免影响日后数据传输的工作。下面分别介绍一下这三种网络结构：

星型网络拓扑结构：星型网络是指通过程序设定一个全功能节点为中心节点，其它节点直接与该中心节点进行通信的网络，整个网络由中心节点集中控制管理，每一个要发送数据的节点都必须将数据首先发送到中心节点，再由中心节点将数据向上传输。星型网络拓扑具有控制简单，故障诊断和隔离容易，部署方便等优点；但如果采用有线部署方式，同时也会因需要耗费大量的电缆而使得安装、维护的工作量倍增。中央节点负担重，是网络数据传输的核心，一旦发生故障，会导致全网不能工作。因此，此种拓扑结构对中央节点的要求较高。 星型网络拓扑图结构如下图2-3所示：