摘要：ZigBee通信協(xié)議采用分布式地址分配機(jī)制給網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址，本文在深入研究Zig Bee設(shè)備地址分配算法的基礎(chǔ)上，以Zig Bee應(yīng)用最為廣泛的樹簇拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例，組建一個(gè)包括Zig Bee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)及終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)等完整結(jié)構(gòu)的Zig Bee無線網(wǎng)絡(luò)，給出了詳細(xì)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備地址分配計(jì)算方法及實(shí)現(xiàn)流程。

關(guān)鍵詞：Zig Bee技術(shù);樹簇拓?fù)?設(shè)備節(jié)點(diǎn)地址分配

中圖分類號(hào)：TP212 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）28-0074-03

Abstract： ZigBee communication protocol uses distributed address allocation mechanism to assign network address to each node in the network. In this paper， based on the in-depth study of ZigBee device address allocation algorithm， taking ZigBee tree cluster topology network structure which is the most widely used as an example， a ZigBee wireless network including ZigBee coordinator node， routing node and terminal device node is established The detailed calculation method and implementation process of node device address assignment are given.

Key words： Zig Bee;cluster tree network;node address assignment

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低成本、低功耗、低速率的無線通信技術(shù)[1]，該技術(shù)面向的主要領(lǐng)域是低速個(gè)人無線區(qū)域網(wǎng)，符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，主要適用于監(jiān)控、工業(yè)應(yīng)用、家庭自動(dòng)控制（智能家居）以及設(shè)備遠(yuǎn)程控制，目的是滿足小型低價(jià)設(shè)備的無線連接和控制。

本文深入地研究了Zig Bee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及Zig Bee地址分配機(jī)制，以Zig Bee應(yīng)用最為廣泛的樹簇拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為例，組建一個(gè)包括Zig Bee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)及終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)等完整結(jié)構(gòu)的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，給出了詳細(xì)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備地址分配計(jì)算方法及實(shí)現(xiàn)流程。

1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇

Zigbee網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議同時(shí)支持星型、樹簇型和MESH網(wǎng)（對(duì)等網(wǎng)）等三種拓?fù)湫问?。樹簇網(wǎng)可連接的Zig Bee節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性較好，兼具星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對(duì)等網(wǎng)拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)，所以在Zig Bee應(yīng)用中一般可采用樹簇拓?fù)浣M建網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示。為采用Zig Bee樹簇結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)拓?fù)鋱D。其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)承擔(dān)組建Zig Bee網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，如果整個(gè)系統(tǒng)中，除了Zig Bee外還有其他通信標(biāo)準(zhǔn)，比如GPRS，則Zig Bee還將充當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)功能。路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)路由，中轉(zhuǎn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，也可承擔(dān)終端節(jié)點(diǎn)的功能。

圖1所示結(jié)構(gòu)中，包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)一個(gè)，根路由節(jié)點(diǎn)一個(gè)，根路由節(jié)點(diǎn)下有子路由節(jié)點(diǎn)N1個(gè)，其中，路由節(jié)點(diǎn)11和路由節(jié)點(diǎn)12不同，路由節(jié)點(diǎn)11下面除了掛接N2 ?個(gè)子路由節(jié)點(diǎn)外，還掛接了M1個(gè)終端節(jié)點(diǎn);路由節(jié)點(diǎn)12下面只直接掛接了N3個(gè)子路由節(jié)點(diǎn)。在計(jì)算終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備地址時(shí)，必須根據(jù)其父路由節(jié)點(diǎn)連接設(shè)備類型情況來進(jìn)行判斷，計(jì)算方法在下面進(jìn)行介紹。

2 巡更設(shè)備節(jié)點(diǎn)地址分配[3～5]

在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)備初始化時(shí)，應(yīng)將其網(wǎng)絡(luò)層NIB屬性的nwkUseTreeAlloc的值設(shè)定為TRUE（即nwkUseTreeAlloc=TRUE）。

（1）確定參數(shù)Cm、Lm、Rm值

首先，應(yīng)根據(jù)設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系圖得出如下三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)值：

1）Cm：nwkMaxChildren的簡(jiǎn)寫，表示Zig Bee網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)設(shè)備最多允許的子設(shè)備數(shù)。

根據(jù)圖1，要確定Cm值，在不考慮設(shè)備可擴(kuò)展的情況下，由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要比較下面數(shù)的最大值max{（M1+N2），N1，N3，M2，M3}。

2）Lm：nwkMaxDepth的簡(jiǎn)寫，表示Zig Bee網(wǎng)絡(luò)的最大深度

在計(jì)算Zig Bee網(wǎng)絡(luò)的最大深度時(shí)，只考慮協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，不應(yīng)包括Zig Bee終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備，因此，根據(jù)圖1的拓?fù)鋱D，包括一層協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和三層路由節(jié)點(diǎn)，因此當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的最大深度為L(zhǎng)m=4。

3）Rm：nwkMaxRouters的簡(jiǎn)寫，表示Zig Bee設(shè)備中子設(shè)備中最多允許的路由數(shù)。

要確定Rm值，在不考慮設(shè)備可擴(kuò)展的情況下，由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要比較下面數(shù)的最大值max{N1，N2，N3}。

在本案例中，不考慮未來設(shè)備節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展，設(shè)N1=2，N2=N3=3，M1=M3=3，M2=5，子路由節(jié)點(diǎn)112～11N2最大可掛接終端節(jié)點(diǎn)數(shù)同111，子路由節(jié)點(diǎn)121～12N3最大可掛接終端節(jié)點(diǎn)數(shù)同121，則可得Cm= N2+M1 =6，Rm =3。

（2）計(jì)算路由節(jié)點(diǎn)偏移量Cskip（d）（包括協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)）

在具體計(jì)算每個(gè)設(shè)備地址之前，需要計(jì)算不同網(wǎng)絡(luò)深度的偏移量，使用下述公式一：

[Cskip（d）=1+Cm-Rm-Cm×RmLm-d-11-Rm] ? ?（1）

將Cm、Lm和Rm值代入偏移量計(jì)算公式中，可算得各不同深度節(jié)點(diǎn)的偏移量Cskip（d）如下表1所示。

（3）分配路由節(jié)點(diǎn)設(shè)備地址

將協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)設(shè)備視作第0級(jí)路由設(shè)備，假設(shè)有某深度為d的路由節(jié)點(diǎn)L，其父路由節(jié)點(diǎn)的子路由數(shù)為N，L在其兄弟路由節(jié)點(diǎn)中的排序?yàn)镸（1≤M≤N），則可根據(jù)下述公式二計(jì)算路由節(jié)點(diǎn)設(shè)備地址：

路由節(jié)點(diǎn)L地址=路由節(jié)點(diǎn)（d-1）分配的節(jié)點(diǎn)地址+1+（M-1）×Cskip（d-1） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)設(shè)備地址首先確定為0，然后計(jì)算各級(jí)路由節(jié)點(diǎn)地址。如表2所示，協(xié)調(diào)設(shè)備節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)深度d為0，偏移量值Cskip（0） = 79。則由上述公式算得協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)分配的第1個(gè)根路由器路由節(jié)點(diǎn)1地址=協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)地址+1=0+1=1，如果協(xié)調(diào)器下還掛接有路由節(jié)點(diǎn)2，則路由器2分配的節(jié)點(diǎn)地址=協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)地址+1+Cskip（0）=0+1+79=80，第3個(gè)路由器地址=協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)地址+1+2×Cskip（0）=0+1+79×2=159;

路由節(jié)點(diǎn)1的子路由節(jié)點(diǎn)11地址=路由節(jié)點(diǎn)1地址+1 =1+1=2，路由節(jié)點(diǎn)1的子路由節(jié)點(diǎn)12地址=路由節(jié)點(diǎn)1地址+1+Cskip（1） =1+1+25=27;

路由節(jié)點(diǎn)11的子路由節(jié)點(diǎn)111地址=路由節(jié)點(diǎn)11地址+1=3，路由節(jié)點(diǎn)11的子路由節(jié)點(diǎn)112地址=路由節(jié)點(diǎn)11地址+1+Cskip（2）=2+1+7=10，路由節(jié)點(diǎn)11的子路由節(jié)點(diǎn)113地址=路由節(jié)點(diǎn)11地址+1+2*Cskip（2）=2+1+2*7=17;

依次類推，則得到圖1所示巡更系統(tǒng)樹簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有路由節(jié)點(diǎn)地址如圖2所示。

終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備地址按以上公式（3）進(jìn)行計(jì)算，分為如下兩種情況：

1）父路由節(jié)點(diǎn)下除了掛接終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)外，還有子路由節(jié)點(diǎn)。如圖1中，路由節(jié)點(diǎn)11，除了掛接3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)外，還掛接3個(gè)路由器設(shè)備節(jié)點(diǎn)111～113。觀察圖2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，路由節(jié)點(diǎn)11的子路由數(shù)為3，則參數(shù)Rm=3，路由節(jié)點(diǎn)11的設(shè)備地址為2，則[Aparaent]=2，Cskip（2）=7，則路由節(jié)點(diǎn)11掛接的第一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備A1=2+7*3+1=24，第二個(gè)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備A2=2+7*3+2=25，第三個(gè)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備A2=2+7*3+3=26。

2）路由節(jié)點(diǎn)下除了終端節(jié)點(diǎn)不掛接子路由節(jié)點(diǎn)，比如路由節(jié)點(diǎn)111、112和121～124，以路由節(jié)點(diǎn)121上所掛接的3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備地址分配為例，因路由節(jié)點(diǎn)121的子節(jié)點(diǎn)中路由器的個(gè)數(shù)為0，所以Rm=0，路由節(jié)點(diǎn)121的設(shè)備地址為28，則[Aparaent]=28，路由節(jié)點(diǎn)121上掛接的第一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備分配的地址為：28+1*0+1=29，第二個(gè)為28+1*0+2=30，即3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的地址分別為29、30、31。由上述規(guī)則，整個(gè)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)分配的終端節(jié)點(diǎn)地址如表2所示（包括前述的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)設(shè)備地址）。

3 總結(jié)

本文基于Zig Bee分布式地址分配機(jī)制，采用樹簇拓?fù)浣M建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，以一個(gè)深度為4的路由、包括21個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，詳細(xì)地分析了協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和巡更終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)備地址分配算法，給出了較為詳盡的計(jì)算過程。該方法可廣泛應(yīng)用于采用樹簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組建的Zig Bee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)中。

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