![]()
![]()
1 引言
物聯(lián)網(wǎng)（IOT ，Internet of things）是繼互聯(lián)網(wǎng)后又一次技術(shù)的革新，代表著未來計(jì)算機(jī)與通信的發(fā)展方向。而物聯(lián)網(wǎng)最大的變革在于實(shí)現(xiàn)了物理世界的情景感知、處理和控制這一閉環(huán)過程，形成了真正的物與物，物與人，人與人之間信息連接的新一代智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層是由各種傳感器構(gòu)成，是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源。網(wǎng)絡(luò)層是負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)與用戶的接口，它需要與行業(yè)需求結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。作為物聯(lián)網(wǎng)最底層，感知層肩負(fù)起很重要的作用，數(shù)據(jù)要先經(jīng)過感知層的采集和識別然后才能進(jìn)行接下來的處理與傳輸?shù)炔僮?。因此，傳感網(wǎng)建立的重要性是十分重大的。
隨著傳感網(wǎng)的不斷發(fā)展，以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN, Wireless Senor Network）的確立，不僅使得在信息采集技術(shù)的這一領(lǐng)域有了進(jìn)一步的發(fā)展，而且還帶動了物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展。本文立足于無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的最底層，分析了基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并在此基礎(chǔ)上提出了無線傳感網(wǎng)絡(luò)接入到互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)接入模式。
2 相關(guān)技術(shù)問題分析
2.1 ZigBee協(xié)議棧與無線傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要點(diǎn)
無線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)是一種技術(shù)集成度高，涉及多種前沿科學(xué)技術(shù)的信息采集變換，組網(wǎng)傳送，融合處理，反饋調(diào)節(jié)的多信息綜合采集與組網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)。在當(dāng)前的國際信息產(chǎn)業(yè)界和技術(shù)研究領(lǐng)域里都受到廣泛關(guān)注。無線傳感網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)所有者。無線傳感絡(luò)并不需要較高的帶寬，但是需要較低的傳輸延時(shí)和極低的功率消耗并且可以使用戶擁有較長的電池壽命和較多的器件陣列。而ZigBee的出現(xiàn)正好解決了這一問題，ZigBee有著高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得ZigBee與無線傳感網(wǎng)絡(luò)完美的結(jié)合在一起。以下將對ZigBee協(xié)議棧加以說明。
ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)由一些層構(gòu)成，每個(gè)層都有一套特定的服務(wù)方法(協(xié)議)和上一層連接。數(shù)據(jù)實(shí)體(data entity)提供數(shù)據(jù)的傳輸服務(wù)，而管理實(shí)體(management entity)提供所有的服務(wù)類型。每個(gè)層的服務(wù)實(shí)體通過服務(wù)接入點(diǎn)(SAP ,service access point)和上一層相接，每個(gè)SAP提供大量服務(wù)方法來完成相應(yīng)的操作。ZigBee協(xié)議?；跇?biāo)準(zhǔn)的OSI七層模型，但只是在相關(guān)范圍來定義一些相應(yīng)層來完成特定的任務(wù)。IEEE802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義了下面的兩個(gè)層：物理層(PHY層)和媒介層(MAC層)。ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上建立了網(wǎng)絡(luò)層(NWK層)以及應(yīng)用層(APL層)的框架(framework)。APL層又包括應(yīng)用支持子層(APS ,application support sub-layer)，ZigBee的設(shè)備對象(ZDO ,zigbee device object)以及制造商定義的應(yīng)用對象。ZigBee技術(shù)的整體協(xié)議架構(gòu)如下圖1所示。
圖1 ZigBee整體架構(gòu)
IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層(PHY層)和媒介層(MAC層)。物理層是協(xié)議的最底層，承擔(dān)著與外界直接作用的任務(wù)，它采用擴(kuò)頻通信調(diào)制方式，由圖1可以看到這里定義了兩個(gè)頻率的物理層，這兩個(gè)頻率段分別為868/915MHz和2．4GHz。MAC層負(fù)責(zé)設(shè)備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束，確認(rèn)模式的數(shù)據(jù)傳送和接收，可選時(shí)隙，實(shí)現(xiàn)低延遲傳輸，支持各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)設(shè)備為16位地址尋址。它可完成對無線物理信道的接入過程管理，包括以下幾方面：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(coordinator)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)同步、完成PAN的入網(wǎng)和脫離網(wǎng)絡(luò)過程、網(wǎng)絡(luò)安全控制、利用CSMA-CA機(jī)制進(jìn)行信道接入控制、處理和維持GTS(Guaranteed Time Slot)機(jī)制、在兩個(gè)對等的MAC實(shí)體間提供可靠的鏈路連接。
ZigBee又在以上兩層的基礎(chǔ)上提出了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)建立新的網(wǎng)絡(luò)、處理節(jié)點(diǎn)的進(jìn)入和離開網(wǎng)絡(luò)、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)類型設(shè)置節(jié)點(diǎn)的協(xié)議堆棧、使網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對節(jié)點(diǎn)分配地址、保證節(jié)點(diǎn)之間的同步、提供網(wǎng)絡(luò)的路由。網(wǎng)絡(luò)層確保MAC子層的正確操作，并為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了給應(yīng)用層提供合適的接口，網(wǎng)絡(luò)層用數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)這兩個(gè)服務(wù)實(shí)體來提供必需的功能。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體(NLDE)通過相關(guān)的服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)來提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，即NLDE.SAP；網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NLME)通過相關(guān)的服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)來提供管理服務(wù)，即NLME.SAP。NLME利用NLDE來完成一些管理任務(wù)和維護(hù)管理對象的數(shù)據(jù)庫，通常稱作網(wǎng)絡(luò)信息庫(Network Information base,NIB)。應(yīng)用層主要根據(jù)具體應(yīng)用由用戶開發(fā)。它維持器件的功能屬性，發(fā)現(xiàn)該器件工作空間中其他器件的工作，并根據(jù)服務(wù)和需求在多個(gè)器件之間進(jìn)行通信。應(yīng)用層由應(yīng)用支持子層(APS )、設(shè)備對象(ZDO，包括ZDO管理平臺)以及制造商定義的應(yīng)用設(shè)備對象組成。APS子層的作用包括維護(hù)綁定表(綁定表的作用是基于兩個(gè)設(shè)備的服務(wù)和需要把它們綁定在一起)、在綁定設(shè)備間傳輸信息。ZDO的作用包括在網(wǎng)絡(luò)中定義一個(gè)設(shè)備的作用(如定義設(shè)備為協(xié)調(diào)者或?yàn)槁酚善骰驗(yàn)榻K端設(shè)備)、發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備并確定它們能提供何種服務(wù)、起始或回應(yīng)綁定需求以及在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中建立一個(gè)安全的連接。
2.2 TCP/IP協(xié)議與互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信方式
對于互聯(lián)網(wǎng)而言，其傳輸控制與因特網(wǎng)互聯(lián)規(guī)則也就是TCP/IP協(xié)議是Internet最基本的協(xié)議。它由網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議和傳輸層的TCP協(xié)議組成，此協(xié)議采用了四層的層級結(jié)構(gòu)，每一層都呼叫它的下一層所提供的網(wǎng)絡(luò)來完成自己的需求。可以這樣說，TCP負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)傳輸?shù)膯栴}，一旦發(fā)現(xiàn)有問題就會要求重新傳輸，直到所有的數(shù)據(jù)安全正確的傳輸?shù)侥康牡?，而IP是給了因特網(wǎng)的每一臺電腦規(guī)定了一個(gè)地址。
TCP/IP協(xié)議由鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層以及應(yīng)用層這四層組成。對于此協(xié)議的熟知程度，具體的每層協(xié)議的功能在這里將不進(jìn)行詳細(xì)的說明。而網(wǎng)關(guān)作為在傳輸層以上工作的，為了深入的了解此文所提出來的網(wǎng)關(guān)接入模式，在此將對傳輸層以上進(jìn)行一些分析說明。傳輸層提供應(yīng)用程序之間的通信。其功能包括：格式化信息流和提供可靠傳輸，為實(shí)現(xiàn)后者，傳輸層協(xié)議規(guī)定接收端必須發(fā)回確認(rèn)，并且假如分組丟失，必須重新發(fā)送，從而提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸。而傳輸層的協(xié)議主要是：TCP和UDP協(xié)議。在本文所提出的的網(wǎng)絡(luò)傳輸由于速率因素，我們在此采用TCP傳輸。在TCP傳輸過程中，數(shù)據(jù)從應(yīng)用層到傳輸層，數(shù)據(jù)的報(bào)頭是TCP報(bào)頭，然后下到網(wǎng)絡(luò)層，數(shù)據(jù)在之前的TCP報(bào)頭前在加上IP報(bào)頭，IP報(bào)頭中有目標(biāo)IP和源IP，然后到數(shù)據(jù)鏈路層后又在上層的數(shù)據(jù)中加上首部和尾部，然后經(jīng)過物理層傳輸?shù)侥康牡?，?jīng)過路由器分析目標(biāo)IP然后查找路由表在進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，來到目標(biāo)計(jì)算機(jī)然后從物理層開始解封裝，然后一層一層向上傳輸。而在此文中所涉及到的傳輸過程，就從應(yīng)用層到傳輸層，數(shù)據(jù)帶有TCP報(bào)頭就進(jìn)入網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議的轉(zhuǎn)換，解封裝后從新封裝從而傳到ZigBee的應(yīng)用層。
23
