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物聯(lián)倉儲系統(tǒng)ZigBee組網(wǎng)原理
時間：2018-09-29 來源：未知
在嵌入式項目物聯(lián)倉儲系統(tǒng)中，使用cortexM0模擬倉庫，cortex-A9模擬服務(wù)器，兩塊開發(fā)板之間使用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送，本文就介紹一下ZigBee組網(wǎng)的原理和相關(guān)步驟。
1.組網(wǎng)概述
組建一個完整的zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)包括兩個步驟：網(wǎng)絡(luò)初始化、節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。其中節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)又包括兩個步驟：通過與協(xié)調(diào)器連接入網(wǎng)和通過已有父節(jié)點入網(wǎng)。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點主要包含三個：終端節(jié)點、路由器節(jié)點、PAN協(xié)調(diào)器節(jié)點
節(jié)點功能：
協(xié)調(diào)器節(jié)點：ZigBee協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點信息的匯聚點，是網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點，負責(zé)組建、維護和管理網(wǎng)絡(luò)，并通過串口實現(xiàn)各節(jié)點與上位機的數(shù)據(jù)傳遞；ZigBee協(xié)調(diào)器有較強的通信能力、處理能力和發(fā)射能力，能夠把數(shù)據(jù)發(fā)送至遠程控制端。
路由器節(jié)點：負責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)資料包，進行數(shù)據(jù)的路由路徑尋找和路由維護，允許節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)并輔助其子節(jié)點通信；路由器節(jié)點是終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點的中繼，它為終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點之間的通信進行接力。
終端節(jié)點：終端節(jié)點可以直接與協(xié)調(diào)器節(jié)點相連，也可以通過路由器節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點相連。
2. 網(wǎng)絡(luò)初始化預(yù)備
Zigbee網(wǎng)絡(luò)的建立是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)起的，任何一個zigbee節(jié)點要組建一個網(wǎng)絡(luò)必須要滿足以下兩點要求：
(1)節(jié)點是FFD節(jié)點，具備zigbee協(xié)調(diào)器的能力;
(2)節(jié)點還沒有與其他網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)節(jié)點已經(jīng)與其他網(wǎng)絡(luò)連接時，此節(jié)點只能作為該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點，因為一個zigbee網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。
FFD：Full Function Device 全功能節(jié)點
RFD：Reduced FunctionDevice 半功能節(jié)點
全功能設(shè)備（FFD）：設(shè)備可提供全部的IEEE 802.15.4 MAC服務(wù)，可充當(dāng)熱河ZigBee設(shè)備，因此FFD設(shè)備不僅可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，還具備路由功能。
精簡功能設(shè)備（RFD）：設(shè)備只提供部分的IEEE 802.15.4 MAC服務(wù)，智能充當(dāng)終端節(jié)點，不能充當(dāng)協(xié)調(diào)點和路由節(jié)點，因此它只負責(zé)將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給協(xié)調(diào)點和路由點，并不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護等功能。
3.網(wǎng)絡(luò)初始化流程
ZigBee網(wǎng)絡(luò)初始化只能是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)起的，在組建網(wǎng)絡(luò)前，需要判斷本節(jié)點還沒與其他網(wǎng)絡(luò)連接，如果節(jié)點已經(jīng)與其他網(wǎng)絡(luò)連接時，此節(jié)點只能作為該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有且僅有一個ZigBee協(xié)調(diào)器，一旦網(wǎng)絡(luò)建立好了，協(xié)調(diào)器就退化成路由器的角色，甚至是可以去掉協(xié)調(diào)器的，這一切得益于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的分布式特性。
3.1 確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器：
首先判斷節(jié)點是否是FFD節(jié)點，接著判斷此FFD節(jié)點是否在其他網(wǎng)絡(luò)里或者網(wǎng)絡(luò)里是否已經(jīng)存在協(xié)調(diào)器。通過主動掃描，發(fā)送一個信標請求命令(Beaconrequest command)，然后設(shè)置一個掃描期限(T_scan_duration)，如果在掃描期限內(nèi)都沒有檢測到信標，那么就認為FFD在其pos內(nèi)沒有協(xié)調(diào)器，那么此時就可以建立自己的zigbee網(wǎng)絡(luò)，并且作為這個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器不斷地產(chǎn)生信標并廣播出去。
注意：一個網(wǎng)絡(luò)里，有且只能有一個協(xié)調(diào)器(coordinator)。
3.2 進行信道掃描過程。
包括能量掃描和主動掃描兩個過程：首先對指定的信道或者默認的信道進行能量檢測，以避免可能的干擾。以遞增的方式對所測量的能量值進行信道排序，拋棄那么些能量值超出了可允許能量水平的信道，選擇可允許能量水平的信道并標注這些信道是可用信道。接著進行主動掃描，搜索節(jié)點通信半徑內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)信息。這些信息以信標幀的形式在網(wǎng)絡(luò)中廣播，節(jié)點通過主動信道掃描方式獲得這些信標幀，然后根據(jù)這些信息，找到一個好的、相對安靜的信道，通過記錄的結(jié)果，選擇一個信道，該信道應(yīng)存在少的zigbee網(wǎng)絡(luò)，好是沒有zigbee設(shè)備。在主動掃描期間，MAC層將丟棄PHY層數(shù)據(jù)服務(wù)接收到的除信標以外的所有幀。
3.3 設(shè)置網(wǎng)絡(luò)ID。
找到合適的信道后，協(xié)調(diào)器將為網(wǎng)絡(luò)選定一個網(wǎng)絡(luò)標識符(PAN ID，取值《=0x3FFF)，這個ID在所使用的信道中必須是唯一的，也不能和其他zigbee網(wǎng)絡(luò)沖突，而且不能為廣播地址0xFFFF(此地址為保留地址，不能使用)。PAN ID可以通過偵聽其他網(wǎng)絡(luò)的ID然后選擇一個不會沖突的ID的方式來獲取，也可以人為的指定掃描的信道后，來確定不和其他網(wǎng)絡(luò)沖突的PAN ID。
在zigbee網(wǎng)絡(luò)中有兩種地址模式：擴展地址(64位)和短地址(16位)，其中擴展地址由IEEE組織分配，用于唯一的設(shè)備標識;短地址用于本地網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備標識，在一個網(wǎng)絡(luò)中，每個設(shè)備的短地址必須唯一，當(dāng)節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時由其父節(jié)點分配并通過使用短地址來通信。對于協(xié)調(diào)器來說，短地址通常設(shè)定為0x0000。
上面步驟完成后，就成功初始化了zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，之后就等待其他節(jié)點的加入。節(jié)點入網(wǎng)時將選擇范圍內(nèi)信號強的父節(jié)點(包括協(xié)調(diào)器)加入網(wǎng)絡(luò)，成功后將得到一個網(wǎng)絡(luò)短地址并通過這個地址進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，網(wǎng)絡(luò)拓撲關(guān)系和地址就會保存在各自的flash中。
4.節(jié)點通過協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)
當(dāng)節(jié)點協(xié)調(diào)器確定之后，節(jié)點首先需要和協(xié)調(diào)器建立連接加入網(wǎng)絡(luò)。
為了建立連接，F(xiàn)FD節(jié)點需要向協(xié)調(diào)器提出請求，協(xié)調(diào)器接收到節(jié)點的連接請求后根據(jù)情況決定是否允許其連接，然后對請求連接的節(jié)點做出響應(yīng)，節(jié)點與協(xié)調(diào)器建立連接后，才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的具體流程可以分為下面的步驟：
4.1 查找網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。
首先會主動掃描查找周圍網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，如果在掃描期限內(nèi)檢測到信 標，那么將獲得了協(xié)調(diào)器的有關(guān)信息，這時就向協(xié)調(diào)器發(fā)出連接請求。在選擇合適的網(wǎng)絡(luò)之后，上層將請求MAC層對物理層PHY和MAC層的phyCurrentChannel、macPANID等PIB屬性進行相應(yīng)的設(shè)置。如果沒有檢測到，間隔一段時間后，節(jié)點重新發(fā)起掃描。
4.2 發(fā)送關(guān)聯(lián)請求命令(Associaterequest command)。
節(jié)點將關(guān)聯(lián)請求命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到后立即回復(fù)一個確認幀(ACK)，同時向它的上層發(fā)送連接指示原語，表示已經(jīng)收到節(jié)點的連接請求。但是這并不意味著已經(jīng)建立連接，只表示協(xié)調(diào)器已經(jīng)收到節(jié)點的連接請求。當(dāng)協(xié)調(diào)器的mac層的上層接收到連接指示原語后，將根據(jù)自己的資源情況(存儲空間和能量)決定是否同意此節(jié)點的加入請求，然后給節(jié)點的mac層發(fā)送響應(yīng)。
4.3 等待協(xié)調(diào)器處理。
當(dāng)節(jié)點收到協(xié)調(diào)器加入關(guān)聯(lián)請求命令的ACK后，節(jié)點mac將等待一段時間，接受協(xié)調(diào)器的連接響應(yīng)。在預(yù)定的時間內(nèi)，如果接收到連接響應(yīng)，它將這個響應(yīng)向它的上層通告。而協(xié)調(diào)器給節(jié)點的mac層發(fā)送響應(yīng)時會設(shè)置一個等待響應(yīng)時間(T_ResponseWaitTime)來等待協(xié)調(diào)器對其加入請求命令的處理，若協(xié)調(diào)器的資源足夠，協(xié)調(diào)器會給節(jié)點分配一個16位的短地址，并產(chǎn)生包含新地址和連接成功狀態(tài)的連接響應(yīng)命令，則此節(jié)點將成功的和協(xié)調(diào)器建立連接并可以開始通信。若協(xié)調(diào)器資源不夠，待加入的節(jié)點將重新發(fā)送請求信息，直接入網(wǎng)成功。
4.4 發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令。
如果協(xié)調(diào)器在響應(yīng)時間內(nèi)同意節(jié)點加入，那么將產(chǎn)生關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令(Associateresponse command)并存儲這個命令。當(dāng)響應(yīng)時間過后，節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令(Datarequest command)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到后立即回復(fù)ACK，然后將存儲的關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令發(fā)給節(jié)點。如果在響應(yīng)時間到后，協(xié)調(diào)器還沒有決定是否同意節(jié)點加入，那么節(jié)點將試圖從協(xié)調(diào)器的信標幀中提取關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令，成功的話就可以入網(wǎng)成功，否則重新發(fā)送請求信息直到入網(wǎng)成功。
4.5 回復(fù)。
節(jié)點收到關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令后，立即向協(xié)調(diào)器回復(fù)一個確認幀(ACK)，以確認接收到連接響應(yīng)命令，此時節(jié)點將保存協(xié)調(diào)器的短地址和擴展地址，并且節(jié)點的MLME向上層發(fā)送連接確認原語，通告關(guān)聯(lián)加入成功的信息。
5.節(jié)點通過已有節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)
當(dāng)靠近協(xié)調(diào)器的FFD節(jié)點和協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)成功后，處于這個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的其他節(jié)點就以這些FFD節(jié)點作為父節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)了，具體加入網(wǎng)絡(luò)有兩種方式，一種是通過關(guān)聯(lián)(associate)方式，就是待加入的節(jié)點發(fā)起加入網(wǎng)絡(luò);另一種是直接(direct)方式，就是待加入的節(jié)點具體加入到那個節(jié)點下，作為該節(jié)點的子節(jié)點。其中關(guān)聯(lián)方式是zigbee網(wǎng)絡(luò)中新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的主要途徑。
對于一個節(jié)點來說只有沒有加入過網(wǎng)絡(luò)的才能進行加入網(wǎng)絡(luò)。在這些節(jié)點中，有些是曾經(jīng)加入過網(wǎng)絡(luò)中，但是卻與它的父節(jié)點失去聯(lián)系(這樣的被稱為孤兒節(jié)點)，而有些則是新節(jié)點。當(dāng)是孤兒節(jié)點時，在它的相鄰表中存有原父節(jié)點的信息，于是它可以直接給原父節(jié)點發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請求信息。如果父節(jié)點有能力同意它加入，于是直接告訴它的以前被分配的網(wǎng)絡(luò)地址，它便入網(wǎng)成功;如果此時它原來的父節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中，子節(jié)點數(shù)已達到大值，也就是說網(wǎng)絡(luò)地址已經(jīng)分配滿，父節(jié)點便無法批準它加入，它只能以新節(jié)點身份重新尋找并加入網(wǎng)絡(luò)。
而對于新節(jié)點來說，他首先會在預(yù)先設(shè)定的一個或多個信道上通過主動或被動掃描周圍它可以找到的網(wǎng)絡(luò)，尋找有能力批準自己加入網(wǎng)絡(luò)的父節(jié)點，并把可以找到的父節(jié)點的資料存入自己的相鄰表。存入相鄰表的父節(jié)點的資料包括zigbee協(xié)議的版本、協(xié)議棧的規(guī)范、PAN ID和可以加入的信息。在相鄰表中所有的父節(jié)點中選擇一個深度小的，并對其發(fā)出請求信息，如果出現(xiàn)相同小深度的兩個以上的父節(jié)點，那么隨機選取一個發(fā)送請求。如果相鄰表中沒有合適的父節(jié)點的信息，那么表示入網(wǎng)失敗，終止過程。如果發(fā)出的請求被批準，那么父節(jié)點同時會分配一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址，此時入網(wǎng)成功，子節(jié)點可以開始通信。如果請求失敗，那么重新查找相鄰表，繼續(xù)發(fā)送請求信息，直到加入網(wǎng)絡(luò)。
6.ZigBee分離流程
正常的分離過程：
1）.協(xié)調(diào)器主動要求設(shè)備分離
協(xié)調(diào)器向設(shè)備發(fā)送接觸連接命令，不管設(shè)備是否有ACK回應(yīng)，協(xié)調(diào)器都認為該設(shè)備已經(jīng)分離
2）.已連接設(shè)備主動分離
設(shè)備主動向協(xié)調(diào)器發(fā)送接觸連接命令，不管有沒有收到協(xié)調(diào)器的ACK回應(yīng)，設(shè)備都認為自己已經(jīng)分離
3）.異常分離過程
由于設(shè)備突然斷電或者被阻擋覆蓋，而造成的分離。前一種，在重啟后，會發(fā)起孤兒請求連接。后一種，設(shè)備會嘗試重試重傳并等待ACK響應(yīng)，如果沒有響應(yīng)，設(shè)備則為認為自己已經(jīng)失去聯(lián)系，間隔一段時間（默認為1s）后，節(jié)點重新并且不斷的發(fā)起掃描。
