ZigBee網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建及其核心機(jī)制研究.pdf

1、信息時(shí)代的到來促使了通信技術(shù)的迅猛發(fā)展,各種無線通信技術(shù)更是成為了人們爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)。各種技術(shù)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(yuǎn)距離,高速率等性能。因而造就了當(dāng)前通信技術(shù)百花齊放的局面。人們可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn),更為靈活的選擇相適應(yīng)的技術(shù)。 本文所要討論的就是這些個(gè)性十足的短距離無線通信技術(shù)中的一個(gè)：Zigbee。Zigbee以低功耗,低成本、低速率等為特點(diǎn)。如果以傳統(tǒng)的眼光來看,這種技術(shù)似乎無優(yōu)點(diǎn)可言。然而在

2、自動(dòng)化和智能化越來越被看重的今天,Zigbee的獨(dú)特之處使其成為了最炙手可熱的無線通信技術(shù)之一。該技術(shù)將被廣泛的應(yīng)用于家庭智能化、工業(yè)控制等眾多領(lǐng)域。 從體系結(jié)構(gòu)上看,自下至上Zigbee由物理層、媒質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支持層以及應(yīng)用層構(gòu)成。本文的工作將集中在網(wǎng)絡(luò)層上。對(duì)網(wǎng)絡(luò)層的研究工作是十分有意義的。一方面,網(wǎng)絡(luò)層承擔(dān)著承上啟下的作用。就規(guī)范定義的角度：網(wǎng)絡(luò)層由Zigbee聯(lián)盟進(jìn)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(luò)層能否很好的提供兩者之間的銜接將直接影響到Zigbee技術(shù)的使用。就通信技術(shù)本身：網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用的質(zhì)量。另一方面,在當(dāng)前Zigbee芯片及模塊的生產(chǎn)都已經(jīng)相對(duì)成熟的市場(chǎng)條件下,能否建立起一個(gè)好的網(wǎng)絡(luò)就成了這項(xiàng)技術(shù)的新課題,而組網(wǎng)的工作正是由網(wǎng)絡(luò)層完成的。 本文在基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的物理層和媒質(zhì)訪問控制層軟件的

4、基礎(chǔ)上,完成了對(duì)Zigbee網(wǎng)絡(luò)層的開發(fā),最終形成了一個(gè)具有分布式管理功能的自組織、自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。 本文的具體工作內(nèi)容可以分為三個(gè)方面。 第一,網(wǎng)絡(luò)層軟件平臺(tái)的搭建。在c語言的環(huán)境中,汲取了面向?qū)ο缶幊陶Z言的理念,將各功能進(jìn)行模塊化封裝,并采用隊(duì)列的方式對(duì)功能模塊進(jìn)行管理。實(shí)際的工作包括了功能的模塊化、任務(wù)隊(duì)列、時(shí)鐘隊(duì)列的建立、維護(hù)。本文所采用的任務(wù)隊(duì)列管理方式,不僅使得ZigBee網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的層次更為明晰；同時(shí)屏蔽了層

5、次間信息的流動(dòng)方向,使得采用簡(jiǎn)單函數(shù)調(diào)用時(shí)存在軟件結(jié)構(gòu)混亂的情況得到了很好的解決。時(shí)間隊(duì)列的使用則減少了同時(shí)使用多個(gè)物理時(shí)鐘造成的器件功耗,并且解決了時(shí)鐘資源不足的問題。 第二,網(wǎng)絡(luò)層功能的實(shí)現(xiàn)。包括數(shù)據(jù)的處理、網(wǎng)絡(luò)發(fā)起、網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點(diǎn)直接加入網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點(diǎn)離開網(wǎng)絡(luò)、啟用路由、接收同步、信息庫(kù)維護(hù)及器件重啟等,共11個(gè)方面功能的實(shí)現(xiàn)。該部分的工作是為最終的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)以及數(shù)據(jù)的傳遞提供保障的。 第

6、三,網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。包括網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選定；網(wǎng)絡(luò)地址分配機(jī)制的設(shè)計(jì)；網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的改進(jìn)。本文網(wǎng)絡(luò)地址的分配原則摒棄了傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)地址分配的隨意性,力求使網(wǎng)絡(luò)地址可以反映出一定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔?以最終實(shí)現(xiàn)對(duì)AODV協(xié)議的改進(jìn)。帶有拓?fù)湫畔⒌木W(wǎng)絡(luò)地址使得在路由建立過程中,路由請(qǐng)求報(bào)文得以不以廣播的形式,而是一種更有目的性的方式進(jìn)行傳播,從而從系統(tǒng)的級(jí)別上降低功耗,延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的存活時(shí)間。對(duì)網(wǎng)絡(luò)地址的分布式管理也使得在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生