基于ZigBee技术的传感器无线信息采集
应用程序和协议栈的操作管理，服务是通过管理服务访问点完成。它主要提供管理服务包括：新建网络，节点属性配置，路由发现，访问或断开网络，寻址，邻居发现设备，接收控制，传输控制[12]。 2.4.4 应用层
在ZigBee 网络中，应用层是最高的协议层。应用层由3部分构成，第一部分是应用支持子层，提供网络层和应用层的接口，应用支持子层参考模型如图2.4所示。第二部分是用户应用程序，开发者需要自己定义，第三部分是ZigBee设备配置层，具备定义处理描述符信息的功能。其中，应用层一个重要的功能是高级协议栈管理，用以协议栈管理。用户应用程序由用户根据需要添加程序代码。
图2.4 应用支持子层参考模型
ZigBee设备配置层的功能是完成ZigBee配置服务，定义描述符并对它的请求进行处理。其中，定义了ZigBee设备对象（ZDO），它为设备提供绑定服务，远程设备可以通过ZigBee设备对象接口请求任何标准的描述符信息，ZDO会调用配置对象获取相应的描述符值[13]。ZigBee设备对象位于应用框架中的端点0上。ZigBee网络的应用程序是用户自由定义的应用对象，每个应用对象分别对应一个序号范围为1-240的端点，这样一个应用框架就构成了。
10
基于ZigBee技术的传感器无线信息采集
第3章 ZigBee网络层规范
除了对MAC层的正确控制，网络层的主要提供的功能是为应用层提供合适的服务接口。网络层提供了两种功能服务实体包括数据服务实体和管理服务实体用以向应用层提供服务接口，两种功能的服务实体都是不可或缺的[14]。
3.1 ZigBee网络拓扑结构方式
低速无线个域网（LR-WPAN）是基于IEEE 802.15.4标准协议发展而来的，IEEE 802.15.4协议中有两种设备类型，称之为完整功能设备（FFD）以及精简功能设备（RFD）。FFD具备IEEE 802.15.4标准中规定的全部功能，随时担当网络中任意任务角色。对于网络中的设备，IEEE 802.15.4和ZigBee联盟所指定的标准有所不同，因而定义方法和规范术语也有所差异。如图3.1所示，FFD作为一个功能齐全的设备，完全可以作为一个功能IEEE 802.15.4协议，而RFD作为精简功能设备具备IEEE 802.15.4协议规定功能的部分。网络中，每一个设备都担任着不同的角色，个域网（PAN）把设备被分为PAN协调器、协调器以及一般设备。
PAN协调器是PAN网络的总控制器，它在一个PAN网络中仅能出现一次，而且必须是FFD。协调器同样也是FFD，通过发送信标完成同步服务功能，PAN协调器是协调器中的特例。IEEE 802.15.4网络中除PAN协调器和协调器之外的其他所有设备均是一般设备，可以是FFD或者RFD。RFD由于自身功能受限，完成的任务也相对简单，对于设备本身存储能力要求也低，不需要它提供大量信息传输的服务，只要保证在同一时刻和一个FFD进行关联，保障信息传输。一个FFD可以和其余的任意设备通信，无论FFD或者RFD，但是RFD却只能和FFD通信。ZigBee联盟所发布的规范中设备分别称作“ZigBee协调器”、“ZigBee路由器”、“ZigBee终端设备”[15]。
11
基于ZigBee技术的传感器无线信息采集
图3.1 IEEE 802.15.4和ZigBee标准中设备角色
ZigBee网络是在网络层的功能实现下形成的，提供了两种拓扑模型：星型拓扑或点对点型拓扑[16]。无论是星形拓扑还是点对点型拓扑，ZigBee网络均是无基础设施的网络。ZigBee网络中的ZigBee协调器（PAN协调器）所实现的功能与Wi-Fi网络中的接入点（AP）完全不同[17]，这里的ZigBee协调器只是个FFD，起到网络中心控制的作用，它不仅是为对网络进行控制，还可以有自己的应用[18]。ZigBee协调器，只是根据无线网络建设的需要，同扮演ZigBee路由器以及ZigBee终端设备角色的FFD就功能上而言没有什么区别。当网络状态出现变化时，其他FFD也能在这个时候充当ZigBee协调器的角色，完成控制中心的任务。同一个网络中，每一个设备都会被分配一个64位的网路地址用以网络间设备的互相通信，事实上，PAN协调器也会为网内设备提供一个16位的短地址，这样的话，设备间同样可以使用短地址互相通信。每个PAN之间都有一个唯一的标识ID，通过这样的标识ID，网内设备之间就可以互相识别，并且利用短地址就可以进行通信，提高了传输效率，如果两个PAN使用了同一个标识ID，分属于两个不同PAN内的并且在通信范围内的设备也会进行通讯，这种情况是需要避免的[19]。 3.1.1 星型拓扑结构
图3.2所示的为星型拓扑结构，每一个设备都只能和PAN协调器通信，星型网络的一个典型案例便是一个FFD作为PAN协调器启动，并形成自己的网络，该PAN协调器所要完成的首要任务就是选择唯一的PAN标识符，唯一的反映是标识符的选择在RF覆盖范围内没有被使用，而RF覆盖范围则是指设备的射频能
12
基于ZigBee技术的传感器无线信息采集
够成功的和其他射频进行通信的区域[20]。简单的说，它的目的在于避免PAN标识符与周围网络所使用的重复。
图3.2 星型拓扑结构
3.1.2 点对点型拓扑结构
在点对点型拓扑结构中，如图3.3，如果两个设备相距足够近，从而可以成功的建立通信链接的话，那么他们之间就可以直接通信。在点对点型网络中，任何FFD都能够承担PAN协调器的角色，完成PAN协调器控制中心的任务。确定哪个设备是PAN协调器的方法之一是看哪个FFD设备是最早作为PAN协调器进行通讯的。由于RFD不具备转发信息的功能，所以在点对点网络中，实现转发信息功能的设备全部为FFD[21]。然而，RFD也可以成为网络的一部分，一种特殊的设备，它只在网络（协调器或路由器）通信。
图3.3 网状拓扑结构
13
基于ZigBee技术的传感器无线信息采集
如果在互相通讯的节点设备间限制条件，点对点网络就能够形成不同的形状，假如没有局限，点对点网络就成了图3.3所示的网状拓扑结构。另一种形式的网络是一个树的拓扑结构（图3.4），由ZigBee协调器的建立初始网络，ZigBee路由器组成了分支完成消息转发，而ZigBee终端设备为叶节点不执行消息路由的任务。ZigBee路由协助ZigBee协调器完成初始网络的建立以及扩展。
图3.4也展示了利用ZigBee路由器对消息进行转发能够有效地扩大网络的范围，以至于绕过障碍物，例如：设备A和B间存在着障碍物，设备A要向B发送一条信息，然而信号难以穿透障碍物，两个设备间无法完成通信。这时树状拓扑网络能够通过路由器对消息的转发来绕过障碍物，使消息最终到达设备B。这种方式也被叫做多跳，所传输的数据单元从源设备出发，经过一节点跳到下一个节点直至目的设备为止。不过，更广阔的范围必然带来潜在的消息延迟。
图3.4 ZigBee树型拓扑
不论网络基于什么样的拓扑形式，一个完整的ZigBee无线通信网络总是由一个PAN协调器所创建，PAN协调器控制网络并执行以下职责：
(1) 为所有网内设备分配唯一的网络地址（16位或64位）； (2) 初始化、终止、转发网络的消息；
14