6.2 Zigbee建网和入网过程实验
本实验通过Sample App这个例子实现数据在ZigBee网络中的简单传输。要求掌握网络组建及协议分析仪的使用方法。
6.2.1 实验目的与器材
1）实验目的
? 熟悉zigbee协议的三种设备建网时所担任的角色； ? 学习Z-Stack2007/PRO协议栈中协调器如何建立网络； ? 学习Z-Stack2007/PRO协议栈中路由和终端如何加入网络； ? 学习TI官方提供的抓包工具（Sniffer）的应用及协议分析。 2）实验器材
? 3个CC2530开发套件（1个协调器模块，2个路由器模块）；
6.2.2 实验原理与步骤
1）硬件介绍
CC2530开发套件如实验一中的硬件介绍，这里就不再陈述。 2）实验原理 1 设备的分类
ZigBee网络只支持两种设备：
1）全功能设备（FFD Full Function Device）
2)精简功能设备（也叫半功能设备 Reduced Function Device） 两者的比较：
其中FFD设备能够提供MAC层的所有服务，可充当任何ZigBee节点，不仅可以接收发送数据，还具有路由功能，因此可以接收子节点；而RFD只能提供部分的MAC层服务，只能充当子节点，只负责将采集到的数据发送给协调器和路由器节点，本身并不具有路由功能，因此不能接收子节点信息，RFD之间的通信只能通过FFD来完成。
ZigBee标准在此基础上定义了三种节点： ZigBee协调器（Coordinator）、ZigBee路由器（Routers）、ZigBee终端（End Device） 2 所使用的设备
所用的ZigBee设备都具有连接网络和断块网路的功能。 ZigBee协调器和路由器都具有以下附加功能： 1)允许设备以如下方式连接网路：
① MAC（Medium Access Control）层的连接命令。 ② 应用层的连接请求
2)允许设备以如下方式断开网络； ① MAC层的断开命令 ② 应用层的断开命令 ③ 对逻辑网络地址的分配
④ 维护邻居设备 3 组建网络
组建一个网状的ZigBee网络包括两个步骤：网络的初始化和节点加入网络；而节点加入网络又有两个步骤：通过协调器加入网络和通过已有节点入网。
1） 网络的初始化
ZigBee网络的建立是由协调器（Coordinator）发起的，任何一个节点想建立一个网络必须满足两个条件：
① 节点是FFD节点，具有协调器功能；
② 节点还没有和其他网络连接（一个网络中只许有一个协调器） 网络初始化过程如图图6-2-1所示。
节点上电激活是否FFD节点？否是是否建立网络？是否确定网络协调器失败启动并初始化ZigBee协议栈信道扫描无是否有合适信道？有选择合适信道设置PAN ID和协调器短地址网络初始化成功等待其他节点加入网络
图6-2-1 网络初始化流程
网络初始化流程如下：
1） 确定网络协调器。
首先判断节点是否是FFD节点，接着判断次节点是否是其他网络里的网络协调器（通过编程设定其节点属性）。通过主动扫描，发送一个信标请求命令（Beacon request command）,然后还要设置一个扫描期限时间（T_scan_duration），如果在扫描期内没有检测到信标，那么此FFD即可建立自己ZigBee网络，并且作为这个网络的协调器不断产生信标并广播出去。
2） 进行信道扫描。包括能量扫描和主动扫描。 首先对指定的信道或默认的信道进行能量扫描，以避免可能的干扰。为实现能量检测扫描，设备网络层通过发送扫描类型（ScanType）参数设置为能量检测扫描的MLME-SCAN.request原语到MAC层进行信道能量检测扫描扫描结果通过MLME-SCAN.confirm原语返回。当网络层关联实体收到成功的能量检测扫描结果后，将以递增的方式对所测的能量值进行信道排序，并且抛弃那些能量值超出了可允许能量水平的信道，选择可允许能量水平的信道作下一步处理
然后，网络管理实体将通过发送MLME-SCAN.Request原语进行主动扫描，其中该原语的ScanType参数设置为主动扫描。搜索节点通信半径内的网络信息。这些信息以网络信标帧的形式在网络中广播，节点通过主动扫描形势接收这些信标帧，然后根据这些信息，找到一个较好的，相对安静的信道，该信道存在最少的ZigBee网络（最好也没有ZigBee设备）。
3）设置网络ID。找到合适的网络后，协调器将为这个新网络选择一个PAN标识符（PAN ID，取值≦0x3FFF）,这个ID在所使用的信道中必须是唯一的。PAN ID可以通过监听通道内其他网络的ID来选择一个不会冲突的ID的方式来获取，也可以人为的指定。
在ZigBee网络中有两种地址模式：扩展地址或叫做MAC地址（64位）和短地址（16位），其中扩展地址由IEEE组织分配，用于唯一的设备标识；短地址用于本地网络中的设备标识，在一个网络中，每个设备的短地址必须唯一，当节点加入网络时由其父节点分配并通过使用短地址进行通信。对于协调器来说，短地址通常设定为0X0000；
网络初始化包括两方面的内容：确定初始化参数和选定参数配置到节点中。节点需要初始化的参数如下：操作信道LogicChannel、PAN ID、节点自身短地址macShorAddress、信标周期BeaconOrder、超帧激活周期SuperframeOrder等。在确定网络的初始化参数之后，将通过调用MAC层的MLNE-SAP接口的设置原语（MLME-SET）和开始原语（MLME-START）将选定的参数配置到节点的MAC中。如图6-2-2所对应的建立网络流程。
ZigBeeCoodAPLZigBeeCoodNWKZigBeeCoodMAC启动建立一个网络NLME-NETWORK-FORMATION.request信道扫描请求MLME-SCAN.request信道扫描完成完成后返回MLME-SCAN.request主动扫描MLME-SCAN.request完成后应答主动扫描完成MLME-SCAN.request选择信道、PANIDmacPANID设置和逻辑地址MLME-SET.requestMLME-SET.confirm 应答PAN启动MLME-START.requestMLME-START.confirm启动后返回NLME-NETWORK-FORMATION.confirm
图6-2-2 建立一个新网络
4 节点通过协调器加入网络
当ZigBee协调器确定以后，节点首先需要和协调器建立连接加入网络。
FFD节点上电激活主动扫描查找范围内的协调器N检测到信标？Y向协调器发送关联加入命令N协调器资源足够YNaResponsetime时间内做出决定直接从协调器信标内提取关联相应命令向协调器发送数据请求命令提取成功？协调器将关联相应命令发送给节点NY加入成功，获得网络短地址
图6-2-3 节点（FFD）与协调器连接加入网络的流程图
为了建立连接，FFD节点需要向协调器提出连接请求，协调器接收到节点的连接请求后根据情况决定是否允许其连接，然后对请求连接的节点做出响应，节点与协调器建立连接以后，才能实现数据的收发。如图6-2-3所示，具体的流程可以分为以下几步：
1） 查找网络协调器。首先会主动扫描查找周围网络的协调器，如果在扫描期限内检测到信
标，那么将获得协调器的有关信息，这时就向协调器发送连接请求，在选择合适的网络后，上层将请求MAC层对物理层和MAC层的phyCurrentChannel、macPANID等PIB(数据库)属性进行相应的设置。如果没有检测到，间隔一段时间后，节点重新发送扫描。 2） 发送关联请求命令（Associate request commmand）。节点将关联请求命令发给协调器，
协调器收到后立即回复一个确认帧（ACK），同时向它的上层发送连接指示原语，表示已经收到节点的连接请求。但这并不意味着已经建立连接，只表示协调器已经收到节点的连接请求。当协调器的MAC层的上层接收到连接指示原语后，将根据自己的资源情况（存储空间和能量）决定是否同意此节点加入请求，然后给节点MAC层发送响应。
3） 等待协调器处理。当节点收到协调器加入请求命令的ACK后，节点的MAC将等待一段时
间，接收协调器的连接响应。在预定的时间内，如果接收到连接响应，它将这个响应向它的上层通告。而协调器给节点的MAC层发送响应时会设置一个等待响应时间（T_ResponseWaitTime）来等待协调器对其加入请求命令的处理，若协调器资源足够，协调器会给节点分配一个16位的短地址，并产生包含新地址和连接成功状态的连接响