1.組網(wǎng)概述

組建一個(gè)完整的zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)包括兩個(gè)步驟：網(wǎng)絡(luò)初始化、節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。其中節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)又包括兩個(gè)步驟：通過與協(xié)調(diào)器連接入網(wǎng)和通過已有父節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)主要包含三個(gè)：終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、PAN協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn);其功能如下：

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)：ZigBee協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)信息的匯聚點(diǎn)，是網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)組建、維護(hù)和管理網(wǎng)絡(luò)，并通過串口實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳遞;ZigBee協(xié)調(diào)器有較強(qiáng)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(yuǎn)程控制端。

路由器節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)資料包，進(jìn)行數(shù)據(jù)的路由路徑尋找和路由維護(hù)，允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)并輔助其子節(jié)點(diǎn)通信;路由器節(jié)點(diǎn)是終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的中繼，它為終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的通信進(jìn)行接力。

終端節(jié)點(diǎn)：終端節(jié)點(diǎn)可以直接與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)相連，也可以通過路由器節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)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(gè)zigbee節(jié)點(diǎn)要組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須要滿足以下兩點(diǎn)要求：

(1)節(jié)點(diǎn)是FFD節(jié)點(diǎn)，具備zigbee協(xié)調(diào)器的能力;

(2)節(jié)點(diǎn)還沒有與其他網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)與其他網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，此節(jié)點(diǎn)只能作為該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)，因?yàn)橐粋€(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

FFD：Full Function Device 全功能節(jié)點(diǎn)

RFD：Reduced FunctionDevice 半功能節(jié)點(diǎn)

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(diǎn)，不能充當(dāng)協(xié)調(diào)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，因此它只負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給協(xié)調(diào)點(diǎn)和路由點(diǎn)，并不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)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(diǎn)還沒與其他網(wǎng)絡(luò)連接，如果節(jié)點(diǎn)已經(jīng)與其他網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，此節(jié)點(diǎn)只能作為該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有且僅有一個(gè)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(diǎn)是否是FFD節(jié)點(diǎn)，接著判斷此FFD節(jié)點(diǎn)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(dòng)掃描，發(fā)送一個(gè)信標(biāo)請(qǐng)求命令(Beaconrequest command)，然后設(shè)置一個(gè)掃描期限(T_scan_duration)，如果在掃描期限內(nèi)都沒有檢測(cè)到信標(biāo)，那么就認(rèn)為FFD在其pos內(nèi)沒有協(xié)調(diào)器，那么此時(shí)就可以建立自己的zigbee網(wǎng)絡(luò)，并且作為這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器不斷地產(chǎn)生信標(biāo)并廣播出去。

注意：一個(gè)網(wǎng)絡(luò)里，有且只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器(coordinator)。

3.2 進(jìn)行信道掃描過程

包括能量掃描和主動(dòng)掃描兩個(gè)過程：首先對(duì)指定的信道或者默認(rèn)的信道進(jìn)行能量檢測(cè)，以避免可能的干擾。以遞增的方式對(duì)所測(cè)量的能量值進(jìn)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(biāo)注這些信道是可用信道。接著進(jìn)行主動(dòng)掃描，搜索節(jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)信息。這些信息以信標(biāo)幀的形式在網(wǎng)絡(luò)中廣播，節(jié)點(diǎn)通過主動(dòng)信道掃描方式獲得這些信標(biāo)幀，然后根據(jù)這些信息，找到一個(gè)最好的、相對(duì)安靜的信道，通過記錄的結(jié)果，選擇一個(gè)信道，該信道應(yīng)存在最少的zigbee網(wǎng)絡(luò)，最好是沒有zigbee設(shè)備。在主動(dòng)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(biāo)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(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符(PAN ID，取值《=0x3FFF)，這個(gè)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(gè)不會(huì)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(kuò)展地址(64位)和短地址(16位)，其中擴(kuò)展地址由IEEE組織分配，用于唯一的設(shè)備標(biāo)識(shí);短地址用于本地網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備標(biāo)識(shí)，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)設(shè)備的短地址必須唯一，當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)由其父節(jié)點(diǎn)分配并通過使用短地址來通信。對(duì)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(diǎn)的加入。節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)將選擇范圍內(nèi)信號(hào)最強(qiáng)的父節(jié)點(diǎn)(包括協(xié)調(diào)器)加入網(wǎng)絡(luò)，成功后將得到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)短地址并通過這個(gè)地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系和地址就會(huì)保存在各自的flash中。

4.節(jié)點(diǎn)通過協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器確定之后，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)需要向協(xié)調(diào)器提出請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器接收到節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求后根據(jù)情況決定是否允許其連接，然后對(duì)請(qǐng)求連接的節(jié)點(diǎn)做出響應(yīng)，節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器建立連接后，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。節(jié)點(diǎn)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(huì)主動(dòng)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(cè)到信 標(biāo)，那么將獲得了協(xié)調(diào)器的有關(guān)信息，這時(shí)就向協(xié)調(diào)器發(fā)出連接請(qǐng)求。在選擇合適的網(wǎng)絡(luò)之后，上層將請(qǐng)求MAC層對(duì)物理層PHY和MAC層的phyCurrentChannel、macPANID等PIB屬性進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。如果沒有檢測(cè)到，間隔一段時(shí)間后，節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起掃描。

4.2 發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求命令(Associaterequest command)

節(jié)點(diǎn)將關(guān)聯(lián)請(qǐng)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(gè)確認(rèn)幀(ACK)，同時(shí)向它的上層發(fā)送連接指示原語，表示已經(jīng)收到節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)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(diǎn)的連接請(qǐng)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(chǔ)空間和能量)決定是否同意此節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求，然后給節(jié)點(diǎn)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(diǎn)收到協(xié)調(diào)器加入關(guān)聯(lián)請(qǐng)求命令的ACK后，節(jié)點(diǎn)mac將等待一段時(shí)間，接受協(xié)調(diào)器的連接響應(yīng)。在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)，如果接收到連接響應(yīng)，它將這個(gè)響應(yīng)向它的上層通告。而協(xié)調(diào)器給節(jié)點(diǎn)的mac層發(fā)送響應(yīng)時(shí)會(huì)設(shè)置一個(gè)等待響應(yīng)時(shí)間(T_ResponseWaitTime)來等待協(xié)調(diào)器對(duì)其加入請(qǐng)求命令的處理，若協(xié)調(diào)器的資源足夠，協(xié)調(diào)器會(huì)給節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)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(diǎn)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(diǎn)將重新發(fā)送請(qǐng)求信息，直接入網(wǎng)成功。

4.4 發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令

如果協(xié)調(diào)器在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)同意節(jié)點(diǎn)加入，那么將產(chǎn)生關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令(Associateresponse command)并存儲(chǔ)這個(gè)命令。當(dāng)響應(yīng)時(shí)間過后，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)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(chǔ)的關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令發(fā)給節(jié)點(diǎn)。如果在響應(yīng)時(shí)間到后，協(xié)調(diào)器還沒有決定是否同意節(jié)點(diǎn)加入，那么節(jié)點(diǎn)將試圖從協(xié)調(diào)器的信標(biāo)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(qǐng)求信息直到入網(wǎng)成功。

4.5 回復(fù)

節(jié)點(diǎn)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(gè)確認(rèn)幀(ACK)，以確認(rèn)接收到連接響應(yīng)命令，此時(shí)節(jié)點(diǎn)將保存協(xié)調(diào)器的短地址和擴(kuò)展地址，并且節(jié)點(diǎn)的MLME向上層發(fā)送連接確認(rèn)原語，通告關(guān)聯(lián)加入成功的信息。

5.節(jié)點(diǎn)通過已有節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)靠近協(xié)調(diào)器的FFD節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)成功后，處于這個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)就以這些FFD節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)具體加入到那個(gè)節(jié)點(diǎn)下，作為該節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)。其中關(guān)聯(lián)方式是zigbee網(wǎng)絡(luò)中新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的主要途徑。

對(duì)于一個(gè)節(jié)點(diǎn)來說只有沒有加入過網(wǎng)絡(luò)的才能進(jìn)行加入網(wǎng)絡(luò)。在這些節(jié)點(diǎn)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(diǎn)失去聯(lián)系(這樣的被稱為孤兒節(jié)點(diǎn))，而有些則是新節(jié)點(diǎn)。當(dāng)是孤兒節(jié)點(diǎn)時(shí)，在它的相鄰表中存有原父節(jié)點(diǎn)的信息，于是它可以直接給原父節(jié)點(diǎn)發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求信息。如果父節(jié)點(diǎn)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(shí)它原來的父節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中，子節(jié)點(diǎn)數(shù)已達(dá)到最大值，也就是說網(wǎng)絡(luò)地址已經(jīng)分配滿，父節(jié)點(diǎn)便無法批準(zhǔn)它加入，它只能以新節(jié)點(diǎn)身份重新尋找并加入網(wǎng)絡(luò)。

而對(duì)于新節(jié)點(diǎn)來說，他首先會(huì)在預(yù)先設(shè)定的一個(gè)或多個(gè)信道上通過主動(dòng)或被動(dòng)掃描周圍它可以找到的網(wǎng)絡(luò)，尋找有能力批準(zhǔn)自己加入網(wǎng)絡(luò)的父節(jié)點(diǎn)，并把可以找到的父節(jié)點(diǎn)的資料存入自己的相鄰表。存入相鄰表的父節(jié)點(diǎn)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(diǎn)中選擇一個(gè)深度最小的，并對(duì)其發(fā)出請(qǐng)求信息，如果出現(xiàn)相同最小深度的兩個(gè)以上的父節(jié)點(diǎn)，那么隨機(jī)選取一個(gè)發(fā)送請(qǐng)求。如果相鄰表中沒有合適的父節(jié)點(diǎn)的信息，那么表示入網(wǎng)失敗，終止過程。如果發(fā)出的請(qǐng)求被批準(zhǔn)，那么父節(jié)點(diǎn)同時(shí)會(huì)分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址，此時(shí)入網(wǎng)成功，子節(jié)點(diǎn)可以開始通信。如果請(qǐng)求失敗，那么重新查找相鄰表，繼續(xù)發(fā)送請(qǐng)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(dòng)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(rèn)為該設(shè)備已經(jīng)分離

2).已連接設(shè)備主動(dòng)分離

設(shè)備主動(dòng)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(rèn)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(huì)發(fā)起孤兒請(qǐng)求連接。后一種，設(shè)備會(huì)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(rèn)為自己已經(jīng)失去聯(lián)系，間隔一段時(shí)間(默認(rèn)為1s)后，節(jié)點(diǎn)重新并且不斷的發(fā)起掃描。