ZigBee短距离无线通信网络组网技术研究(2)
1.1 无线网络与ZigBee网络概述
所谓无线网络[3]，既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术。一个无线网络的构成节点之间并不是通过电缆相连的，而是通过无线电、红外线或者其他电磁辐射以达到节点之间彼此相连的目的。因此，每个节点能够发送和接收通过有关媒体的消息。此外，大多数节点运行一个或多个应用程序来执行其在网络中的功能——例如温度和湿度的测量等。
随着技术的发展和人们的需求，许多短距离无线通信的要求被提出。短距离无线通信和长距离无线通信有很多区别，主要如下：
无线发射功率在几微瓦到小于100μW。
通信距离在几厘米到几百米。
主要在房间内使用。
使用全向天线和线路板天线。
不需要申请无线频道。
高频操作。
由电池供电的无线发射器和无线接收器。
典型的短距离无线系统由一个无线发射器和一个无线接收器组成。随着无线的发展，网络化、标准化要求逐渐出现在人们的面前。因此这种无线网络技术标准纷纷被指定出来。比较热门5种短程无线连接技术正在成为业界谈论的焦点,包括ZigBee、无线局域网（WiFi）、蓝牙（Bluetooth）、超宽频（Ultra Wide Band）和近距离无线传输（NFC）。
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，其中文译名为“紫蜂”。它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案。ZigBee主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。
ZigBee协议栈的体系结构[4]是基于标准开放网络互联(OSD)七层协议模型，IEEE802．15．4．2003标准定义了较低的两层：物理层(PHY)和媒体接入控制子层(MAC)，ZigBee联盟定义了网络层(NWK)和应用层结构。ZigBee应用层包括应用支持子层(APS)，ZigBee设备对象(ZDO)和制造商定义的应用对象。
IEEE802．1 5．4．2003有三个PHY层，包括单个分离的频率范围：868MHz、915MHz和2．4GHz。低频率PHY层包括868MH欧洲频段和915MHz美国和澳大利亚频段，高频率PHY层是全球通用的。IEEE802．15．4．2003 MAC子层控制使用CSMA-CA机制接入到无线信道，它的职责还包括传输信标帧、同步和提供可靠传输机制。ZigBee NWK层的责任包括节点加入和离开网络所用的机制、应用帧安全机制和路由机制。两个设备之间路由的发现和文护也是NWK层的责任。一跳邻居的发现和储存相关的信息也在NWK层里完成。ZigBee协调器的NWK层还负责建立一个新网络，分配地址到新的设备。
ZigBee应用层包括APS应用框架(AF)、ZDO和制造商定义的应用对象。
1.2 本论文的研究内容
本论文对ZigBee技术的起源、特点以及与其他短距离无线通信技术的比较进行了探讨，并对ZigBee网络的协议标准、体系结构、拓扑技术进行了较为深入的研究，对ZigBee协议中物理层、媒体接入控制子层、网络层的结构、服务规范和分组结构进行了分析。本论文最后对ZigBee技术在无线传感网中的应用提出了自己的设想，提供了一套基于ZigBee网络的节能灌溉系统的组网模型。
2 Zigbee技术的起源和特点
2.1 Zigbee技术的起源
在探究关于ZigBee技术的细节问题之前，首先需要关注的问题是ZigBee名字的起源[5]。事实上，这个名字来源于蜂群的通信方式：蜜蜂之间通过跳Zigzag形状的舞蹈来交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距离等信息。该技术由IEEE 802.15工作组提出，并由他们规范了IEEE 802.15.4无线标准。IEEE802.15.4定义了两个底层，即物理层和媒体接入控制（MediaAccess Control，MAC）层；ZigBee联盟则在IEEE 802.15.4的基础上定义了网络层和应用层[3]。ZigBee 联盟是一个高速成长的非盈利业界组织，成立于2001年8 月，2002 年，荷兰飞利浦半导体公司、美国摩托罗拉公司、英国Invensys 公司以及日本三菱电气公司四大公司加盟ZigBee 联盟，共同合作研发名为“Zigbee”的无线通信标准，被誉为ZigBee技术的里程碑。迄今为止，ZigBee 联盟更加庞大，囊括了国际上著名的半导体生产商、技术提供者、技术集成商和许多行业的200 多家企业，国内的华为、海尔、中兴等著名企业就在其中。网络层以上协议由ZigBee 联盟负责制定。标准制订工作与新世纪初期基本完成。与蓝牙、高速率个人区域网相比，ZigBee 协议更加简单实用。