原创 ZigBee协议栈网络层的研究与实现2

3.3 路由设计与实现 在传输数据时，不同类型的的节点有不同的处理方法，协调器的处理机制与RN+相同。网络层路由设计分为RN+，RN-和RFD三个模块。图5至图7分别是三种类型节点接收到上层或者其他节点发送的数据包时，网络层处理程序的流程图。 图5 RN+网络层处理程序的流程图 图6 RN-网络层处理程序的流程图 图7 RFD网络层处理程序的流程图 因为实际点对点通信是通过MAC地址进行数据传输的，所以每个节点在接收到信息包时，都要维护邻居表，邻居表主要起地址解析（Address Resolution）的作用：将邻居节点的网络地址转换成MAC地址。另外，类型是RN+的节点在接收到信息包或者启动AODVjr查找路由时，还必须维护路由表。邻居表和路由表的记录都有生存期，超过生存期的记录将被删除。 3.4测试方法 无线通信有其特殊性质，每个节点发送的数据包既是信号源，同时又可能是干扰源，因此无线网络的测试是一大难题。为了能在室内方便测试网络性能，引入黑名单机制，强制让一些节点对黑名单节点发送的数据包“视而不见”，以测试十几点甚至几十点的特殊网络。在实际应用时，去掉黑名单并不影响网络的工作性能。测试时，还可以采用符合IEEE 802.15.4的包探测器（Sniffer），记录测试过程中空气中所传输的无线数据。每个模块还可以通过I/O输出自己的收发状态等信息。通过多种手段对测试过程进行分析，才能提高开发测试效率。 表2是某个节点的黑名单列表，该节点接收到的数据包发送方MAC地址如果符合下列n个公式中的一个，则该节点认为没有接收到数据包，对该数据包不作任何处理。 表2 黑名单列表 4典型应用 ZDK 开发包,除了实现IEEE 802.15.4的MAC层及ZigBee的网络层功能外，目前还完成一些应用层功能，同时提供简单易用的API接口，以便使用者根据实际需要进行二次开发。该技术已经成功地应用于组建家庭无线网络、无线传感器网络、无线门控系统和无线停车场计费系统等领域中。 4.1网络功能 图8是一个典型的ZigBee网络，该网络可取代有线电缆构成的拓扑。网络中端对端设备可以采用透明模式（Transparent Mode）交互信息，完成无线RS232和RS485的数据传输功能。只要接上模块，多台设备的串口就能直接交互数据。这种应用尤其适合不易铺设有线电缆、通信时须要考虑避雷等因素的场合。 图8 典型的ZigBee网络示意图 为了充分发挥其他网络的作用，实现网络与外网（WLAN，Ethernet，PSTN，GPS等）的连接，以便远程控制ZigBee网络的工作，协调器还必须充当网关（Gateway），实现内网（WPAN）和外网的连接。由ARM处理器开发的嵌入式系统充当协调器及无线网关，它有RJ45，RJ11， RS232接口，可以通过以太网（Ethernet）、有线电话网（PSTN）、通用无线分组业务网（GPRS）或者全球地位系统（GPS）连接 ZigBee网络，如图9所示。 图9 ZigBee网络与其他网络连接图 4.2实践效果 ZigBee 模块载波频率为2.4GHz，通信速率为250kbps，发射功率在0dbm至-24dbm，接收灵敏度为－94dm。点对点通信距离，室内为60米左右，室外为100米左右，误包率小于0.5％。在不超过10跳的范围内通信，传输延迟不超过2秒，误包率小于1％；每包数据能传输的最大有效纯负荷为 110字节。 目前，已经测试过50点的网络，实现跨多个房间、楼宇的数据传输。在节能模式下，模块能在电池供电的条件中长时间（约3个月）工作。本网络除了包含通用ZigBee网络的特点外，还能跟其他有线或者无线网络互通互融，达到优势互补，在实际应用中取得良好的效果。实践证明，ZigBee 网络有其自己的鲜明特点，在众多的无线网络中有其存在和发展的空间。 5. 总结和展望 本文主要讨论了该网络的理论基础，同时给出了网络层实现办法及解决方案。这种方案已被无线龙公司用于设计LBee系列模块、ZigBee开发套件，取得较好的市场价值。 基于IEEE 802.15.4的ZigBee网络是扩充现有网络应用的一种良好手段，具有广阔的应用场合和发展前景。ZigBee协议栈还在不断升级，如何根据不同的需求设计高性能的ZigBee网络，如何将ZigBee网络与其他网络进行可靠连接，达到功能互补，是一项很有意义的课题。