許英磊（1983－）
男，河北邯鄲人在讀研究生，（西南交通大學信息科學與技術學院，四川  成都  610031），主要研究方向為無線網絡技術及其應用。

摘要：本文簡述了ZigBee網絡協議棧、網絡拓撲結構及網絡特性，并根據ZigBee網絡的自組織特性提出一種基于ZigBee技術的兩層無線網絡組網結構。該網絡由安裝在貨物車輛上的無線終端節點、貨場中的中心節點（中繼節點）和安裝在控制室的網絡中心節點構成，可實現貨物的動態實時管理控制。

關鍵詞：IEEE802.15.4；FFD；RFD；貨場

Abstract: This article briefly describes the ZigBee network protocol, the network topology and the network characteristics. Furtheremore, we propose a two-layer wireless network structure based on the organization characteristic of ZigBee technology. The whole network consists of the wireless terminal node, which is installed on the cargo vehicles, the central node (relaying node) in the freight yard and the network central node in control room. This design can realize the real-time supervisory control of the freight. 

Key words:  IEEE802.15.4；FFD；RFD；Freight Yard

1 引言

    現代運輸管理體系已經開始向全面數字化方向發展，傳統的管理方式已經越來越不適應發展的需要，并且成本越來越高，這樣對貨場的統一管理帶來很大的困難，而ZigBee技術的出現正好解決了這一問題。ZigBee有著高通信效率、低復雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數字化等諸多優點。這些優點使得ZigBee和無線傳感器網絡完美地結合在一起。其可用于家庭自動化，工業自動化，計算機外設和醫療設備等。 本文旨在采用基于ZigBee技術來實現兩層網絡組網，實現貨場的自動化控制,提高工作效率和貨場的工作質量。

2 ZigBee技術概述

    ZigBee 技術是近期發展起來的一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案，主要用于近距離無線連接。

    IEEE 無線個人區域網(PAN) 工作組的IEEE802. 15 . 4 技術標準是ZigBee 技術的基礎。IEEE802.15. 4 工作組主要負責制定物理層(PHY) 、媒體訪問控制層(MAC) 和鏈路層的標準，而Zigbee 聯盟負責其網絡層、應用會聚層和高層應用規范(API) 的制定。

    2.1 ZigBee協議棧 

圖1   ZigBee協議棧架構

    ZigBee協議棧（圖1）是基于開放互連標準OSI七層模型，但根據實際的需要只定義了其中的部分功能。ZigBee協議棧由一組子層構成，每層為其上層提供一組特定的服務：一個數據實體提供數據傳輸服務，一個管理實體提供全部其他服務。每個服務實體通過一個服務接入點（SAP）為其上層提供接口服務，并且每個SAP提供了一系列的基本服務指令來完成相應的功能。ZigBee協議棧對那些涉及ZigBee的層予以定義。IEEE802.15.4-2003標準定義了最低兩層：物理層PHY和媒體接入控制層MAC，ZigBee聯盟在此基礎上定義了應用層APL和網絡層NWK。 

    Zigbee應用層包括應用支持子層APS、應用層框架AF和ZigBee設備對象ZDO（包括ZDO Management Plane）及制造商定義的應用對象。應用支持子層APS負責維護綁定表和在兩個綁定實體間傳遞信息。ZDO負責定義設備節點的功能角色，初始或響應綁定請求及建立網絡設備間安全關系，還負責網絡設備的發現，決定提供何種應用服務。 

    ZigBee網絡層實現的網絡機制包括網絡的建立和網絡節點地址的分配，網絡節點加入或離開網絡，并負責建立和維護路由，發送接收數據幀，對數據幀進行加密和解密。

    2.2 網絡拓撲結構 

    ZigBee以一個個獨立的工作節點為依托，通過無線通信組成星狀、串（樹）狀或網狀網絡，因此，每個節點的功能并非相同。為降低成本，系統中的大部分的節點為子節點，從組網通信上，它只是其功能的一個子集，成為半功能設備（RFD）；而另外一些節點，負責與所控制的子節點通信、匯集數據和發布控制，或起到通信路由的作用，稱之為全功能設備（FFD）。無論是哪一種網絡拓撲結構，每個獨立的網絡都有一個唯一的標識符，即網絡號（PAN標識符）。利用PAN標識符，采用16位的短地址碼進行網絡設備間的通信，并可激活網絡設備之間的通信。

    2.3 ZigBee網絡特性 

    ZigBee網絡具有低功耗性，兩節AA電池可工作12至24個月，這是ZigBee技術最具優勢的地方；低成本；每個節點直接通訊距離較遠，可達100米以上，若采用多跳網絡通訊距離將更遠；ZigBee 網絡具有高度擴充性，每個網絡可多達255個網絡節點，其中一個是Master設備，其他的是Slave設備，若是通過Network Coordinator，則整體網絡最多可達到6500個ZigBee網絡節點；低速率，每秒250kbps；高可靠性，提供了數據完整性檢查及鑒權功能，加密算法采用AES-128，具體應用可靈活確定采用何種安全機制。 

    ZigBee 采用自組織方式組網，這種構架被稱為無基礎構架的無線局域網，其對網絡內部的設備數量不加限制，并可隨時建立無線通訊鏈路。協調器一直處于監聽狀態，新添加的RFD網絡節點會立刻被網絡自動發現，這時，FFD節點（中繼節點）會把RFD節點的信息傳送給協調器節點，由協調器節點進行編址，并計算其路由信息，更新數據轉發表和設備關聯表等。

3 貨場無線網絡技術的研究

    3.1 概述

    無線技術具有強大的組網能力，可以形成星型、樹型和MESH網狀網，可以根據實際項目需要來選擇合適的網絡結構；星型和簇樹型網絡適合點對多點、距離相對較近的應用；MESH網狀網絡拓撲結構的網絡具有強大的功能，網絡可以通過“多級跳”的方式來通信；該拓撲結構還可以組成極為復雜的網絡；網絡還具備自組織、自愈功能。 

    基于無線技術的貨物動態管理系統的拓撲選擇涉及許多設計方案的權衡。該網絡自身也是一個動態系統，不斷與外界環境相互影響。運送貨物車輛的移動、不間斷地進出貨物和外界的干擾源等都可以影響網絡性能。通常拓撲結構的選擇要考慮以下幾個問題：首先，要考慮最糟情況下和一般情況下的連通性拓撲：應用需要的節點密度和周圍環境狀況；其次，評估可選擇的情況。最后，還要考慮系統的可升降性和權衡能耗/資源的限制。

圖2   ZigBee網絡拓撲結構

    在本系統網絡中，一個節點最多可以擔任三種角色：協調器，路由器 和終端設備。這些是邏輯設備類型。FFD可以與RFD或其他FFD通訊，但RFD卻只能與FFD通訊。RFD是為了極其簡單的應用而設計的，如燈的開關或被動紅外傳感器；他們并不需要發射大量的數據，只是某一時間需要與一個FFD進行通訊。因此，RFD只需要使用最少的資源和存儲器空間，與FFD相比擁有較低的成本。FFD可以用來實現三種邏輯設備類型，但RFD只能充當終端設備。

    本貨場管理系統的實際情況如下：（1）無線終端節點由電池供電，所以應該盡量減少無線終端節點的工作量，以節約無線終端節點用電。（2）基于貨場的實際情況，網絡中節點數量較多，涉及路由尋址等功能，因此，簡單的星形拓撲結構不能滿足要求。

    根據以上分析，本系統采用網狀網絡拓撲結構。管理機節點、中心節點和無線終端節點構成網狀結構的貨場管理網絡。其中，管理機節點是全功能設備(FFD)，它作為網絡協調器建立網絡，監督網絡的正常運行。它配置較多的存儲空間，完成網絡初始化，數據采集，設備控制等功能；中心節點也是全功能節點，它在網絡中作為路由器使用，負責轉發數據和進行全時信道監聽；其他的無線終端節點模塊則是精簡功能設備(RFD)，完成查詢響應、控制設備和報警功能等，它們只能與全功能設備進行通信，相互之間不能進行通信。

    3.2 具體實現

    (1)本系統采用兩層無線網絡結構組網，上層無線網絡為分布式結構，包括中心節點和管理機；下層網絡（一層無線網絡鏈路）為主從結構，包括無線標識基本模塊和區域中心節點。

圖3   兩層無線網絡結構圖

    (2)上層無線網絡由網絡協調器節點（管理機模塊）和中心節點(中繼節點)組成，網絡協調器具有新建網絡的功能，在新建網絡之前，網絡協調器必須先對周圍的無線環境進行檢測，然后才進行具體的網絡配置工作。

    系統上電以后，協調器節點以廣播的方式通知上電的中心節點初始化。偵聽到網絡協調器的數據幀之后，中心節點產生一個0-256的隨機數，這個隨機數與時延基數相乘得出本節點的時延。每個節點等待隨機時延后發出入網請求（此時用64位IEEE擴展地址作為節點號），網絡協調器收到請求后分配給該中心節點一個16bit的網內節點號（入網后的節點號），并在地址表中記錄該中心節點的相關信息，進行設備關聯。若中心節點發送入網請求后一分鐘內沒有得到回應，則重新產生一個隨機時延再次向網絡協調器發送入網請求。網絡協調器完成所有上電的中心節點初始狀態的采集，則系統初始化完成。

    圖4顯示了網絡協調器節點從開始掃描周圍信道建立網絡到中心節點加入網絡的過程。

圖4   流程圖

    (3)下層網絡（一層無線網絡鏈路）為主從結構，包括無線標識基本模塊和區域中心節點，以區域中心節點為主節點，無線標識模塊為從節點組成子網。作為主節點的區域中心節點是網絡的核心節點，負責網絡的建立和維護，區域中心節點具備全時信道監聽功能，負責聯系上層網絡和保持與無線標識模塊的實時動態通信。

    網絡運行過程中，新的無線終端節點上電后發送入網請求。中心節點首先判斷該節點是否在地址表中，如果該節點不在網絡中并且網絡中的無線終端節點數沒有超過網絡容量，則中心節點分配一個唯一的網絡地址給該節點。無線終端節點的入網請求在規定時間內沒有得到回應，則轉向鄰近的中心節點發送入網請求。這樣就完成了節點的加入。

圖5   節點加入網絡圖

    無線終端節點只能與中心節點通信，子節點相互之間不能進行通信。整個系統網絡中各個節點均獨立工作，某一個節點故障只會影響該節點所在區域的部分節點工作狀態，很難影響全網的穩定，而且業務數據在無線標識模塊和管理機上雙備份，任一處數據丟失均可通過另一處數據備份來恢復，提高了網絡的穩定性。

    3.3 協議定義

    無線終端模塊發送所有的消息到本地協調器件，最終的目的地址在NWK報頭中。網絡協調器負責路由此消息到最終的目的地。如果終端節點是FFD，它將參與網絡路由，提供路由能力。大部分情況下，路由由堆棧自動完成，不需要任何終端程序的干涉。它允許網絡范圍的擴展，允許在網絡協調器射頻范圍內的無線終端節點通過路由器加入網絡。

    根據系統需求，協調器會在非易失性存儲器中存儲所有網絡關聯，稱為網絡綁定表。網絡中的協調器根據消息的目的地址查找網絡綁定表，根據綁定表中的網絡關聯將消息發送到目的地址或遞交無線網絡中的另一路由器，由其轉發。路由綁定表在無線通信終端上電初始化時加載，具體路徑是預設好的。在網狀網中，消息發送的路線沒有確定時，或者說在綁定表中沒有此消息的綁定路線，路由器將發起路由的搜索。當搜索完成，消息將按照最佳的有效路由發送。同時記錄此路由至路由綁定表中。路由過程如圖6所示。

    本設計中，FFD節點連接采用ZigBee網狀網結構，以保證網絡的健壯性。貨場中的所有FFD節點，在上電時初始化，加載路由綁定表，其中路由綁定表按一定算法算出。若無線終端節點要發送數據至管理機模塊時，先發送數據至本地的路由器(中心節點)，由路由器按路由綁定表中的路由轉發至下一出口，直到將數據發送到管理機模塊，如果路由綁定表中不存在目標路線，則發起路由搜索，并將路由存入路由器路由綁定表中，然后將數據按相應路由發送。

圖6   路由過程圖

    3.4 數據的傳輸機制

    傳輸數據到終端設備和從終端設備傳輸數據的機制隨網絡類型的不同而有所不同。在無信標的星型網絡中，當無線終端設備想要發送數據幀時，它只需等待信道變為空閑。在檢測到空閑信道條件時，它將幀發送到協調器，如果發生超時則重發。收到回復后，它會將數據幀保存在其發送緩沖器中，直到目標終端設備明確地來查詢該數據為止，在確定對方收到此消息后，清空緩沖區，這樣確保數據正確發送，不會產生消息丟失的情況，并且抗干擾性能好。信息傳輸過程中需要確保無線終端設備的接收器是開啟的，而且可從協調器接收數據。在點對點網絡中，每個節點必須一直保持它們的接收器為開啟狀態或者同意在一個時間段內開啟它們的接收器。這將允許節點發送數據幀并確保數據幀會被其它節點接收。終端設備必須查詢協調器以獲取其數據，而不是保持接收器開啟，從而降低無線終端設備的功耗。根據系統要求以及實用經濟性，在絕大部分時間內無線終端設備都處于休眠狀態，而僅定期喚醒設備來發送和接收數據，當然也具有遠程無線喚醒的功能。（此方法的一個缺點是協調器必須將所有數據幀保存在內部緩沖器中，直到目標終端設備喚醒并查詢數據。如果網絡包含很多休眠時間很長的終端設備，協調器就必須將數據幀保存很長時間。根據節點數量和交換數據幀的速率，將大幅增加協調器對RAM 的要求。）在有信標的星型網絡中，終端設備可以只在信標被廣播時醒來，并幀聽地址，如果沒有偵聽到自己的地址，則由專入休眠狀態。數據傳輸過程如圖7所示。

圖7   MAC層數據傳輸過程

    在本系統的設計中，無線終端設備模塊與本地網絡協調器（中心節點）構成無信標的星型網絡。無線終端節點在大部分的時候保持休眠狀態，只在有數據發送或接收時喚醒，或者當遠程呼叫時喚醒。在收到確認信息后再次進入休眠狀態，確保無線終端設備保持較低的功耗水平。與此同時，所有的FFD節點必須處于開啟狀態，以備接收來自其它器件的消息以及確保本節點發送的消息會被其他節點接收，并且FFD節點需要較多的RAM來存儲各種信息。

4 結論

    基于Zigbee的鐵路貨場無線網絡技術克服了以往的貨場管理中的低效率、高成本和低自動化的不足，提高了貨場的管理效率，節省了大量的人力、物力，實現了貨物信息的實時收集，貨物狀態的實時監控。

其他作者：

    莊圣賢：西南交通大學電氣工程學院教授，博導。

    吳紅欣：西南交通大學信息科學與技術學院計算機應用專業碩士研究生。

參考文獻：

    [1] IEEE Std 802.15.4 2003[OL].http://www.zigbee.org.

    [2] ZigBee Specification 2005[OL].http://www.zigbee.org.

    [3] 蔣挺,趙成.紫蜂技術及其應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2006.

    [4] 李文仲,段朝玉等編著. ZigBee無線網絡技術入門與實戰. 北京航空航天大學出版社.