zigbee网络自组织结构的研究
基于ZigBee的自愈自组网的设计与应用
基于ZigBee 的自愈自组网的设计与应用饶达琴，张文超（杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州310018）摘要：ZigBee 技术为低功耗、低成本、低复杂度、适中数据传输率和且具有自组织功能的无线监控网络的组建提供了坚实的技术基础。
为了增强无线网络在无人值守、远程监控等应用中的稳定性及智能化，本文在分析ZigBee 协议体系结构以及Z_Stack 协议栈基础上，研究了如何基于CC2530组建具有自组网、自愈特性的ZigBee 无线网络，通过对无人值守的通信基站的交流电压、电流和温湿度环境等参数的远程实时监控的试验，实现了网络的自组网与自愈功能，增强了网络的稳定性及智能化。
关键词：ZigBee ；自组网；Z_Stack ；CC2530中图分类号：TN925文献标识码：A文章编号：1674－6236（2012）23-0111-03Design and application of self -organized and self -healing network based on ZigBeeRAO Da -qin ，ZHANG Wen -chao（School of Electronics&Information ，Hangzhou Dianzi University ，Hangzhou 310018，China ）Abstract:ZigBee technology provides a substantial basis for wireless monitoring and controlling network with low -power consumption ，low -cost ，low complexity ，moderate -data -rate ，self -organized and self-healing.In order to enhance the stability and intelligent for the wireless network ’s application in the unattended and remote monitoring ，Based on analysis of the basic architecture of ZigBee protocols and Z_Stack ，discusses how to organize a wireless networking with the features of self -organized and self -healing by CC2530.And with the experiment of the remote real -time monitor for industrial frequency voltage value ，current value ，temperature and humidity of unmanned communication stations ，the function of self -organized and self -healing are realized ，enhancing the wireless network stability and intelligent.Key words:ZigBee ；self -organized ；Z_Stack ；CC2530收稿日期：2012-08-09稿件编号：201208028作者简介：饶达琴（1987—），男，江西上饶人，硕士研究生。
ZigBee树型网络地址分配及结构
ZigBee树型网络地址分配及结构
树型路由机制包括配置树型地址和树型地址的路由。
当协调器建立一个新的网络，它将给自己分配网络地址0，网络深度d=0。
网络深度表示仅仅采用父子关系的网络中，一个传送帧传送到ZigBee协调器所传递的最小跳数。
如“节点A”加入网络并与协调器连接，那么“节点A”的网络深度是1；“节点B”加入网络并与“节点A”连接，那么“节点B”的网络深度是2，依此类推。
在树簇型网络中，协调器和路由器都可以连接N个路由节点和终端节点做为自己的子节点，形成一个个“簇”。
但是协调器和路由器能连接的子节点的数量是不是无限的呢？
协议栈中，有以下几个参数影响网络拓扑的形态：
Cm（nwkMaxChildren）：每个父节点可以连接的子节点的总个数；
Rm（nwkMaxRouters）：在Cm中，可以是路由节点的个数，Rm<=Cm；
Lm：网络最大深度，协调器的深度为0。
这三个参数的值在Z-stack中分别由变量CskipChldrn、CskipRtrs、MAX_NODE_DEPTH决定。
这三个变量可以在NWK中的nwk_globals.c 和 nwk_globals.h 两个文件中查找。
地址的分配：
每一个节点加入网络时，都会被分配16位
（未完待续）。
ZigBee技术的网络拓扑结构
ZigBee技术的网络拓扑结构ZigBee技术的网络拓扑结构2010-04-06 11：53ZigBee技术网络有两种网络拓扑结构：星型的拓扑结构和对等的拓扑结构。
星型拓扑网络结构有一个叫做PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须为一个完整功能的设备，从设备既可为完整功能设备也可为简化功能设备，在实际应用中，应根据具体应用情况，采用不同功能的设备，合理的构造通信网络。
在网络通信中，通常将这些设备分为起始设备或者终端设备，PAN主协调器既可作为起始设备、终端设备，也可以作为路由器，它是PAN网络的主要控制器。
在任何一个拓扑网络上，所有设备都有唯一的64位长地址码，该地址码可以在PAN中用于直接通信，或者当设备发起连接时，可以将其转变为16位的短地址码分配给PAN设备，因此，在设备发起连接时，应采用64位的长地址码，只有在连接成功后，系统分配了PAN的标识符后，才能采用16位的短地址进行连接，因此，短地址吗是一个相对地址码，长地址码是一个绝对地址码。
在ZigBee技术应用中，PAN主协调器是主要的耗能设备，而其他从设备均采用电池供电，ZigBee技术的星型拓扑结构通常在家庭自动化、PC外围设备、玩具、游戏以及个人健康检查等方面得到应用。
对等的拓扑网络机构中，同样也存在一个PAN主设备，但该网络不同于星型拓扑网络结构，在该网络中的任何一个设备只要是在它的通信范围内，就可以和其它设备进行通信。
对等拓扑网络结构能够构成较为复杂的网络结构，例如，网孔拓扑网络结构，这种对等拓扑网络结构在工业监测和控制、无线传感器网路偶、供应物资跟踪、农业智能化，以及安全监控等方面都有广泛的应用。
一个对等网络的路由协议可以是基于Ad hoc技术的，也可以是自组织式的和自恢复的，并且，在网络中各个设备之间发送消息时，可通过多个中间设备中继的方式进行传输，即通常称为多跳的传输方式，以增大网络的覆盖范围。
其中，组网的路由协议，在ZigBee网络层中没有给出，这样为用户的使用提供了更为灵活的组网方式。
zigbee网络体系结构
z i g b e e网络体系结构本页仅作为文档封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.MarchZigbee体系Zigbee的体系结构由称为层的各模块组成。
每一层为其上一层提供特定的服务：即由于数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。
每个服务实体通过相应的服务接入点（SAP）为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。
Zigbee网络体系结构IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此zigbee联盟对其网络层协议和API进行了标注化，zigbee联盟还开发了安全层。
Zigbee物理层物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务物理层数据服务从无线物理信道上收发数据。
物理管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。
物理层内容：（1）zigbee的激活（2）当前信道的能量检测（3）接收链路服务质量信息（4）Zigbee信道接入方式（5）信道频率选择（6）数据传输和接收MAC层：MAC层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN连接和分离，提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。
MAC层数据服务：保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中正确收发MAC层管理服务：维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。
MAC层功能“（1）网络协调器产生信标；（2）与信标同步（3）支持PAN链路的建立和断开（4）为设备的安全性提供支持（5）信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入（CSMA-CA）机制（6）处理和维护保护时隙（GTS）机制（7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路网络层Zigbee协议栈的核心部分在网络层，网络层主要实现节电加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能，支持Cluster-Tree等多种路由算法，支持星行、树形、网络拓扑结构。
zigbee网络拓扑结构及节点设计
zigbee网络拓扑结构及节点设计作者：叶子2 1 引言基于zigbee技术的无线传感器网络适用于网点多、体积小、数据量小，传输可靠、低功耗等场合，在环境监测、无线抄表、智能小区、工业控制等领域已取得一席之地[1]。
同时，zigbee规范与协议日臻完善[2]。
从zigbee1.0、zigbee1.1到目前最新的zigbee2007/pro，zigbee协议规范的演进对硬件系统提出了更高的要求[3]。
2 设计要求2.1 zigbee网络结构从网络结构上看，zigbee网络有星形，树形，网状3种模式，按照网络节点功能划分可分为终端节点(ep)、路由器节点(rp)和协调器节点(cp)3种[2]。
其组织结构如图1示。
图1 zigbee网络拓扑结构其中，协调器节点负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的设备加入网络;路由器节点支撑网络链路结构，完成数据包的转发;终端节点是网络的感知者和执行者，负责数据采集和可执行的网络动作[2]。
这就要求zigbee网络节点需扮演终端感知者、网络支持者、网络协调者3种角色。
从功能上，zigbee节点应由微控制器模块、存储器、无线收发模块、电源模块和其它外设功能模块组成。
其结构如图2所示。
图2 zigbee网络节点模块图其中，包括dma、usart模块、定时器模块、a/d模块在内的丰富的外设功能来满足网络对硬件资源的需求，存储器模块完成协议栈的存储与执行，cpu实现数据的运算与处理，mac定时器用于实现网络同步，使用aes技术对信息进行加密，无线模块完成收据的收发与信息帧控制。
2.2 zigbee网络节点设计要求(1)可供选择的无线频段。
无线频段的选择要兼具较高的传输速率和较好的绕射性能，同时要具备一定的抗干扰力。
2.4ghz频段是ieee 502.15.4定义的工作在ism频段的两个工作频段之一，有16个速率为250kb/s的信道。
(2)体积小，成本低，易于大规模布建。
zigbee技术较其它无线技术的优势在于自组网，这就需要布建大规模的网络节点，因此成本问题凸显出来，有资料显示：10$左右的zigbee网络节点有较高的性价比。
基于蚁群算法的Zigbee网络自组织优化设计
Science &Technology Vision 科技视界0前言现代监控系统包括两个重要的领域,其一、工业现场监控系统;其二、广义上的监控系统。
工业现场监控系统主要应用工业自动化领域中,对工业过程中各种输入、输出参量进行采集和控制。
工业现场监控系统一般采用工控机设备进行监控。
而广义上的监控系统的研究领域更加广泛,主要监控对象包括自然环境、生物种群、区域监控等。
不同于工业现场监控系统的通信技术,广义监控系统的数据传送常常使用无线传输技术实现。
因此,对无线通信技术的研究将极大地促进监控系统的运行。
广义监控系统不仅要求实现无线传输,而且要求无线传输具有低成本、高可靠性、功耗低等特点。
Zigbee 网络可以很大程度上满足监控系统对无线传输的要求[1]。
Zigbee 网络模块,当功率为100mW 时,其传输距离最高为1.6公里,当功率为1mW 时,其传输距离最高为120m。
Zigbee 网络模块不工作时处于休眠状态,此时工作电流仅为0.7μA。
由于采用了碰撞避免机制(CSMA-CA),避免了发送数据时的冲突。
此外,Zigbee 网络采用密钥长度为128位的加密算法,对所传输的数据进行加密处理,保证了数据传输时的可靠性和安全性[2]。
由于Zigbee 模块通常和嵌入式监控设备集成在一起,所以Zigbee 网络的体积可以做得很小,投放灵活。
有时甚至可以装在野外动物身上,以对其行动规律进行监控。
本文的主要工作并不集中于对Zigbee 模块进行设计,而是根据其网络协议栈建立一定的网络拓扑模型以实现大规模的组网。
1Zigbee 网络协议栈Zigbee 栈体系结构分为四层,包括物理层(PHY:physical layer)、媒体访问控制层(MAC:medium access control sub -layer)、网络层(NWK:network)以及应用层(APL:application layer)。
Zigbee 设备有且只有一个64位IEEE 地址,网络连接后协调器给从设备分配一个16位的短地址。
Zigbee无线通信技术及其组网研究方案解析
什么是Zigbee(1)
ZigBee是IEEE 802. 15. 4协议的代名词。依据这 个协议规定的技术是一种近距离、低简单度、 低功耗、低数据速率、低本钱的双向无线通信 技术，不仅要适合于自动掌握和远程掌握领域， 可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。
什么是Zigbee(2)
由于蜜蜂(bee)是靠飞行和“嗡嗡“(zig)地抖动 翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位和 远近信息的，也就是说蜜蜂依靠着这样的方式 构成了群体中的通信“网络”，因此 ZigBee 的制造者们形象地利用蜜蜂的这种行为来描述 这种无线信息传输技术。
消息会播送到其他设备，邻近没备则回复路由应答消息。假 设连接密钥使用适当，NWK层将使用连接密钥爱护输出NWK 帧的安全，假设没有适当的连接密钥，为了爱护信息，NWK 将使用活动的网络密钥爱护输出NWK帧，井使用活动密钥或 预备密钥爱护输入NWK帧。在这一环节，帧的格式明确给出 了爱护帧的密钥，因此，承受方可以推断出处理输入帧的密
Zigbee的技术特点(3)
低速率:ZigBee工作在250kbps的通讯速率，满 足低速率传输数据的应用需求
Zigbee的技术特点(4)
近距离:传输范围一般在10~100m之间， 在增 加RF(Radio Frequency)放射功率后， 也可增加 到 1-3km。这指的是相邻竹点间的距离。假设 通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可 以更远；
Zigbee 无线通信技术及其组网争论方案
Zigbee由来
在蓝牙技术的使用过程中，人们觉察蓝牙技术 尽管有很多优点，但仍存在很多缺陷。对工业、 家庭自动化掌握和工业遥测遥控领域而言，蓝 牙技术显得太简单、功耗大、距离近、组网规 模太小等，而工业业自动化，对无线数据通信 的需求越来越猛烈，而且，对于工业现场，这 种无线数据传输必需是高牢靠的，并能反抗工 业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期 努力，ZigBee 协议在2023 年正式问世。
Zigbee的网络层详细介绍
Zigbee的网络层详细介绍从协议来讲网络层确保底层MAC层的正确操作并为应用层提供接口。
而在Zigbee的网络中，网络层负责网络的架构和数据包的路由，并且按照规划的路径确保数据包可靠地从一个节点发送到另一个节点。
在Zigbee中，路由工作是由协调节点和路由节点共同规划并维护路由路径来保证正常通信。
Zigbee网络由协调节点负责建立，即选择网络组成和选择网络拓扑结构。
在Zigbee中通常有三种网络拓扑结构，即星状结构、树状结构和网状结构。
这三种拓扑结构如图2所示。
图 Zigbee网络拓扑结构星状拓扑是最简单的一种拓扑结构，在Zigbee中，星状拓扑包含了一个协调节点和多个终端节点。
这些终端节点直接且仅和位于网络中心的协调节点相连进行通信。
而两两终端节点需要进行通信时，由协调节点进行转发。
树状拓扑包含了一个协调节点和多个路由节点及终端节点。
协调节点和多个路由节点及终端节点相连，即协调节点作为这些路由节点和终端节点的父节点。
同时，每个路由节点还可以连接其它的路由节点或者终端节点作为其子节点。
需要说明的是，终端节点只能作为子节点而不能作为父节点。
在树状结构中两个节点需要进行通信时，该终端的消息会沿路径树向上传至目标通信节点共同的祖父节点再转发至目标通信节点。
网状拓扑和树状拓扑类似也包含了一个协调节点和多个路由节点及终端节点。
与树状节点不同的是，路由节点间可以相互直接通信，这样就组成了网络状的拓扑结构。
在传送消息时，协调节点和路由节点共同为待通信的两个节点规划最优的路径。
网络拓扑带来的优点有路由更加灵活且优化。
同时整体网络的鲁棒性增强，这是由于即使个别节点出现问题不能工作，还可以选择其它路径来保证通信完成。
应用层是Zigbee网络的最高层，它为Zigbee用户的需求提供服务。
举例来说，一个用户需要获得室内温度和湿度数据，该用户通过Zigbee网络应用层提出请求，之后Zigbee网络应用层向下层逐层传递指令并找到相应的传感器并进行感知获得数据。
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毕业论文（设计）Zigbee传感器网络自组织结构研究学生姓名：朱伟指导教师：张妍（讲师）专业名称：通信工程所在学院：信息工程学院2012年6 月目录摘要 (I)Abstract .................................................... I I 第一章前言.. (1)1.1 研究目的和意义 (1)1.2 国内外研究现状 (1)1.3 研究内容和方法 (1)第二章ZigBee技术 (2)2.1 Zigbee技术 (2)2.2 Zigbee节能技术探讨 (3)2.3 Zigbee协议栈 (4)2.4 原语概念 (7)2.5 Zigbee网络数据传递机制 (7)第三章Zigbee传感器自组织网络节点通信 (10)3.1 Zigbee自组织网络优点 (10)3.2 Zigbee自组织网络多跳路由通信流程 (10)3.3 通信实现的流程 (15)第四章Zigbee网络组网方案 (17)4.1 组网方案概述 (17)4.2 Zigbee网络拓扑 (17)4.3 Zigbee组网流程 (20)4.4 Zigbee树路由算法 (22)第五章ZigBee传感器自组织网络在机电监测系统中的应用 (26)5.1 基于Zigbee传感器网络的机电监测系统的构建 (26)5.2 Zigbee传感器节点的设计和测量点的选择 (28)5.3 基于Zigbee传感器的机电监控系统自组织网络拓扑结构 (28)5.4 Zigbee传感器节点数据传输流程 (29)第六章结论与建议 (31)致谢 (32)参考文献 (33)摘要由于Zigbee技术具有低功耗、低成本、低速率、近距离和网络容量大等特点，Zigbee技术在近年来得到了快速的发展。
Zigbee网络包含两种功能类型的设备：全功能设备FFD(Full Function Device)和精简功能设备RFD(Reduced Function Device)，支持星状网(Star Network)、树状网(Cluster tree Network)和网状网(Mesh Network)三种网络拓扑结构。
本论文前两章主要介绍了Zigbee技术的概念、由来、特点，并对Zigbee技术协议架构和Zigbee 无线传感网络体系结构进行了较为深入的研究分析。
第三章主要介绍了Zigbee传感器自组织网络节点通信的原理。
第四章从网络拓扑结构、组网算法方面介绍了基于Zigbee技术的运用。
第五章将基于Zigbee传感器自组织网格网络具体应用于机电监测系统中，构建了一个分层分布式监测网络。
关键词：Zigbee，组网方案，组网算法，网格网络AbstractZigbee is developing at a high speed as it has the following key features：low power, low cost，low data rate，short distance and large network capacity．Zigbee network contains 2 kinds of function devices：full function device(FFD) and reduced function device(RFD)，supports 3 kinds of network topology：Star network, Cluster tree network and mesh network．In the first two chapters, this paper has a introduction of the characteristics, the origin and the concept of Zigbee technology ,and has a more in-depth analysis about Zigbee technology architecture and the structure of Zigbee protocol wireless sensor network．In the third chapter ,the node communication of self-organizing Zigbee network is given．In the fourth chapter, it will introduce the application of Zigbee technology based on the network topology and network algorithm．In Chapter five the mesh network technology based on Zigbee will be used in mechanical and electrical specific monitoring system, building a hierarchical distributed monitoring network．Keywords: Zigbee, network topology, network algorithm, mesh network第一章前言1.1 研究目的和意义Zigbee网络具有低成本、低功耗、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全及免执照频段等特点。
在短距离、低功耗且传输速率要求不高的各种电子设备之间，完成周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据的传输，比较适合采用Zigbee网络来实现。
Zigbee作为一种如此有生命力的短距离通信技术，根据Zigbee联盟所定义的标准，如果能够实现协议库的封装及模块化，使得协议在不同的硬件平台间，不同的应用系统间的能够便捷移植，是一件非常有意义的事情，这将给我们解决Zigbee实际应用中的问题带来更大的自由度和选择性。
1.2 国内外研究现状Zigbee作为一种新兴的国际标准短距离无线通信协议，协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统互联参考模型(OSI)，IEEE802.15.4-2003标准定义了下面的两层：物理层和媒体接入控制子层；网络层、应用汇聚层、应用层由Zigbee联盟制订。
联盟所制订的规范也得到了广泛的应用。
在工业领域，利用传感器和Zigbee网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易。
例如危险化学成分的检测，火警的早期检测和预报。
在农业领域，采用了传感器和Zigbee网络以后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。
传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、空气湿度和气压等信息[1]。
这样农民能够及早而且准确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。
消费和家用自动化市场是Zigbee技术最有潜力的市场。
据估测，每个家庭需要100到150个Zigbee设备[2]。
可以联网的家用设备包括电视、录像机、门禁系统、窗户和窗帘、照明设备、空调系统和其他家用电器等。
1.3 研究内容和方法论文结构安排如下：第一章介绍了Zigbee技术概况和目前国内外研究概况。
第二章讲述了Zigbee技术的概念、由来、特点，并对Zigbee技术协议架构和Zigbee无线传感网络体系结构进行了较为深入的研究分析。
第三章主要分析了Zigbee传感器自组织网络节点通信的原理。
第四章从网络拓扑结构、组网算法方面介绍了基于Zigbee技术的运用。
第五章将基于Zigbee传感器自组织网格网络具体应用于机电监测系统中，构建了一个分层分布式监测网络。
第六章结论与建议：对本文工作做出总结，并展望今后的工作。
第二章 ZigBee技术2.1 Zigbee技术2.1.1 Zigbee技术由来现在，有许多的协议标准来定义声音、视频以及PC局域网等领域的数据传输，然而却没有一个协议能适合无线网络中传感和控制设备通信的特定的需求。
传感和控制设备的通信并不需要高的带宽，但是他们要求低的反应时间，非常低的能量消耗，以及大范围的设备分布。
许多无线设备生产者已开始致力于解决无线网络的问题，出现了许多的通信协议，但这些协议并不能完全适应无线传感器网络的要求。
Zigbee协议正是继承了以往协议的优势，为无线网络中传感和控制设备之间的通信提供了一个极好的解决标准。
2.1.2 Zigbee联盟Zigbee联盟成立于2001年8月。
2002年下半年英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“Zigbee联盟”，研发名为“Zigbee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。
2.1.3三种无线协议的比较(1)Zigbee与IEEE802.11b及蓝牙技术的比较：表1 三种通信协议的比较特征IEEE802.11b Bluetooth Zigbee 能量持续数小时1星期1年以上复杂程度复杂非常复杂简单节点数32 7 64000反应时间3秒10秒30毫秒有效范围100米10米70米扩展能力可能不能可以数据传输率11Mbps 1Mbps 250Kbps(2)Zigbee与蓝牙技术的具体比较[3]：Bluetooth：中等的任务周期，较短的电池寿命(电池持续时间和控制单元相同)，半静态星型网络(接近7个节点)，主要针对需要中等数据传输率的仪器，高服务质量(QOS)，以及低反应时间的无线网络。
Zigbee：非常低的任务周期，很长的电池寿命，静态及动态的星型及网状结构，可以有非常多的节点单元（>>65534个），在没有网络间通信时能够保持长时间静止状态。
总而言之，蓝牙主要应用于高QOS，多样的任务周期，中等数据传输率的平等静态，且具有有限活跃节点的无线网络中。
而Zigbee则主要是应用在非常低的任务周期，低能耗，低花费的静态及动态的具有很多活跃节点的无线网络中。
2.1.4 Zigbee技术的特点Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分：● 数据传输速率低。
只有10k字节／秒到250k字节／秒，专注于低传输应用。
● 功耗低。
在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。
这也是Zigbee的支持者一直引以为豪的独特优势。
● Zigbee成本低。
因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。
且Zigbee协议免收专利费。
● 网络容量大。
每个Zigbee网络最多可支持255个设备，也就是说，每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接。
● 时延短。
通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。