项目一　初识ZigBee无线传感器网络

本章目标

知识目标

• 理解ZigBee无线传感器网络的定义。
• 掌握ZigBee无线传感器网络的系统结构。
• 了解ZigBee无线传感器网络的特点及应用。
• 掌握IEEE 802.15.4与ZigBee协议的区别。

技能目标

• 掌握ZigBee无线传感器网络的组成及组网实现的方法。
• 掌握ZigBee无线传感器网络组网监测软件的使用与分析方法。
• 掌握ZigBee无线传感器网络数据包分析的方法。

1.1　ZigBee无线传感网络概述

1.1.1　ZigBee无线传感器网络的定义

20世纪90年代末，随着微电子技术、无线通信技术与计算机技术的快速发展，无线网络得到了快速的发展，用于无线个人区域网范围的短距离无线通信技术标准也得到了迅速的发展，典型技术标准有Wi-Fi（IEEE 802.11b/g）、无线USB（Wireless USB）、蓝牙（Bluetooth）、超低功耗蓝牙无线技术（Wibree）、红外无线技术等数据传输协议标准。不同的协议标准对应不同的应用领域。其中，Wi-Fi主要用于大量数据的传输，Wireless USB主要用于视频数据的传输，Bluetooth主要用于少量设备的短距离数据交换。

随着物联网应用技术的发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）也得到了相应的发展。无线传感器网络协议标准日渐规范，其中得到广泛应用和推广的一种协议就是ZigBee 2007协议（紫蜂协议）——蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在的方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络）。它主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。德州公司（Texas Instruments，TI）公司已经推出了完全兼容该协议的片上系统（System on Chip，SoC）芯片CC2530，同时也开发了相关的软件协议栈Z-Stack。开发者可以利用上述硬件和软件资源，搭建自己的无线传感器网络。

如图1.1所示，ZigBee无线传感器网络综合了传感器技术、RFID技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地进行实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息。这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算机世界和现实世界的连通。与传统的互联网不同，ZigBee无线传感器网络实现了信息采集、信息处理和信息传输等功能，改变了人类与物理世界交互的方式。

图1.1　ZigBee无线传感器网络示意图

目前，国内外可提供ZigBee解决方案的公司有TI、Jennic、ST、Atmel等。其中，TI 公司提供的方案最全，新出的有CC2530、CC2538等无线节点；Atmel公司生产的基于ARM内核的MC13244能够在低功耗的情况下输出更大的功率。表1.1列出了目前国内外5大ZigBee 芯片厂商、代表型号以及协议栈名称。

表1.1　国内外ZigBee 芯片厂商、代表型号以及协议栈名称

公　　司	产品型号	类　　型	内　　核	协　议　栈
Slicon Lab （Ember）	Em35x	SoC	m3	EmberZnet
TI （Chipcon）	CC2430 CC2530 CC2538	SoC	8051 CC2420 CC2520	Z-Stack
Atmel	ATmega256	SoC	AVR8	BitCloud
Jennic（NXP）	JN5184	SoC	32bit	Stack
Freescale	MC13224V KV20	SoC	ARM7	BeeStack

美国《商业周刊》在1999年将ZigBee无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术之一。2003年，MIT《技术评论》（麻省理工科技评论杂志）在对10大新兴技术的评价中，将传感器网络列为改变世界的10大技术之一。美国军方于20世纪90年代率先开展了对ZigBee无线传感器网络的研究，用于提高战场实时监控与作战反应能力。WINS、SmartDust与SensIT等都是其早期著名的研究项目。随后，在美国国家自然科学基金委的推动下，美国多所著名大学，如哈佛大学、加州大学伯克利分校与弗吉尼亚大学等，展开了对ZigBee无线传感器网络更加深入广泛的研究。至此，ZigBee无线传感器网络不再仅仅应用于军事领域，也被逐渐应用于民用领域。此后，世界各国纷纷加大了在ZigBee无线传感器网络方面的科研投入。

在我国，ZigBee无线传感器网络也得到高度重视并迅速发展。清华大学的任丰原教授等人率先开展了对ZigBee无线传感器网络的研究，并发表了第一篇中文ZigBee无线传感器网络的综述，揭开了我国ZigBee无线传感器网络研究的序幕。中国科学院信息工程研究所的孙利民教授编纂了《ZigBee无线传感器网络》一书，详细介绍了ZigBee无线传感器网络的研究现状，为国内众多研究者提供了宝贵的学习资料。我国政府在2006年将传感器网络技术列进未来15年的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，标志着ZigBee无线传感器网络研究的兴起。2009年，温家宝总理将传感器网络和物联网列为我国5大新兴战略性产业。物联网是在传感器网络技术上发展的物物相连的网络。为落实国家对发展物联网技术与产业的发展规划，2009年无锡市建立了无锡物联网研究基地，正式标志着传感器网络进入标准化和产业化阶段。ZigBee无线传感器网络正随着科技的创新而快速发展，并逐渐渗透到人类生活的方方面面。

1.1.2　ZigBee无线传感器网络的特点

与其他无线通信协议相比，ZigBee无线传感器网络具有协议复杂程序低、资源要求少等特点，具体如下。

1．低功耗

低功耗是ZigBee的一个显著特点。由于工作周期较短、收发信息功耗低且采用了休眠的工作模式，可以确保2节5号电池支持长达6个月到2年的使用时间。由于不同应用具有不同的功耗，因此具体的使用时间还受具体应用场合的影响。

2．低成本

协议简单且所需的存储空间小，这极大地降低了ZigBee的成本。每块芯片价格仅2～5美元，而且ZigBee协议是免专利费。

3．时延短

ZigBee无线传感器网络的通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延为30ms，休眠时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。这样，一方面节省了能量消耗，另一方面更适用于对时延敏感的场合。例如，一些应用在工业上的传感器就需要以毫秒的速度获取信息，以及安装在厨房内的烟雾探测器也需要在尽量短的时间内获取信息并传输给网络控制者，从而阻止火灾的发生。

4．数据传输速率低

ZigBee无线传感器网络的数据传输速率为10～250kbit/s，专注低传输应用，数据传输可靠性高；采用碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。介质访问控制层（Media Access Control，MAC）采用了完全确认的数据传输机制，发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

5．网络容量大

一个ZigBee设备可以与254个设备相连接，一个ZigBee网络可以容纳65 536个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在100个ZigBee网络。网络有星状、树状和网状网络结构。在有节点加入和撤出时，网络具有自动修复功能。

6．有效范围小

ZigBee无线传感器网络的有效覆盖范围在10～200m，具体根据实际发射功率的大小和应用模式而定。

7．工作频段灵活

ZigBee无线传感器网络的工作频段为2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照频段。

8．兼容性好

ZigBee无线传感器网络与现有的控制网络标准无缝集成；通过网络协调器（Coordinator）自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道存取；为了传递的可靠性，提供全握手协议。

9．安全性高

ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

10．协议套件紧凑而简单

ZigBee具体实现的要求很低。ZigBee套件需要8位微处理器，如80C51；全协议套件需要32KB的ROM；最小协议套件需要大约4KB的ROM。

表1.2为ZigBee技术与其他几种常见的短距离无线通信技术之间参数的比较。通过比较不难发现，ZigBee技术在网络容量、功耗及成本等方面有着明显的优势。

表1.2　ZigBee技术与其他几种常见的短距离无线通信技术之间参数的比较

参　　数	Wi-Fi	Bluetooth	ZigBee	IrDA
无线电频段	2.4GHz射频	2.4GHz射频	2.4GHz/868MHz/915MHz射频	980nm红外
传输速率（bit/s）	1～54M	1～24M	20～250k	4～16M
传输距离（m）	100	10	10～75	定向1
网络节点（个）	32	8	255 /65 535	2
功耗	高	较低	最低	很低
芯片成本	20美元	4美元	2美元	2美元以下

1.2　ZigBee无线传感器网络构架

1.2.1　ZigBee无线传感器网络的组成

ZigBee无线传感器网络是由PC、网关部分、路由节点部分和传感器节点部分4部分组成的，如图1.2所示。用户可以很方便地实现传感器网络无线化、网络化、规模化的演示、教学、观测和再次开发。

图1.2　ZigBee无线传感器网络组成示意图

1．PC（数据管理中心）

PC直接面向用户，它负责从网络中获取所需要的信息，同时也可以对网络做出各种各样的指示、应用支撑技术操作等。

2．网关

网关被用于连接传感器网络、互联网等外部网络，各方面能力相对于传感器节点来说较强，可实现几种通信协议之间的转换；同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络。汇聚节点可以是一个具有增强功能的传感器节点（如协调器），有足够的能量和更多的内存与计算机资源；也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。

3．路由节点

路由节点主要实现路径选择和数据转发功能。

4．传感器节点

（1）传感器节点的组成

传感器节点负责监测区域内数据的采集和处理。一般的传感器节点主要由能量供应模块、传感器模块、处理器模块、无线通信模块和嵌入式软件系统5部分组成。传感器节点的结构如图1.3所示。

图1.3　传感器节点的结构示意图

传感器节点各组成部分的作用如下。

① 能量供应模块为传感器节点的其他模块提供运行所需要的能量，可以采取多种灵活的供电方式，通常采用微型电池。

② 传感器模块包括传感器和AD/DA模块。传感器负责监测区域内信息的采集，在不同的环境中，被监测物理信号的形式决定了传感器的类型。AD/DA模块负责数据的转换。

③ 处理器模块包括处理器和存储器，负责整个节点的操作、存储和处理本身采集的数据以及其他节点转发来的数据。处理器模块通常采用通用的嵌入式处理器。

④ 无线通信模块负责与其他节点进行无线通信、交换控制信息和收发采集数据。数据传输的能量占节点总能耗的绝大部分，所以通常采用短距离、低功耗的无线通信模块。

⑤ 嵌入式软件系统是ZigBee无线传感器网络的重要支撑，其软件协议栈由物理层（PHY层）、介质访问控制层（MAC层）、网络层（NWK层）和应用层（APL层）组成。

传感器节点的设计要符合低成本、低功耗、微型化的特点，这是因为ZigBee无线传感器网络的重要设计目标是将大量可长时间监测、处理和执行任务的传感器节点嵌入到物理世界中。

（2）传感器节点的设计

在无线传感器网络中，节点在不同的状态下具有不同的能量消耗，传感器节点共有以下6种工作状态。

① 睡眠状态：传感器模块关闭，通信模块关闭，能量消耗最低。

② 感知状态：传感器模块开启，通信模块关闭，节点感知事件发生。

③ 侦听状态：传感器模块开启，通信模块空闲。

④ 接收状态：传感器模块开启，通信模块接收。

⑤ 发送状态：传感器模块开启，通信模块发送。

⑥ 长期睡眠状态：表示该节点能量处于阀值，不响应任何事件。

无线传感器网络的一个重要优势是摆脱了传统网络的连线限制和成本问题。但是如果没有合适的无线电源，这一优势就无法体现出来，因此电源效率是设计考虑的关键因素。因为如果必须时常更换电池，那么相关的劳动力成本便会远远超过它相对有线网络节省的成本。因此，电池必须具有较长的寿命。此外，减小节点尺寸也是在传感器网络设计时必须考虑的设计因素。

传感器节点能量是通过电池供应的。节点能源有限，应考虑尽可能地延长整个传感器网络的生命周期。在设计传感器节点时，保证能量供应的持续性是一个重要的设计原则。传感器节点的能量消耗主要包括传感器模块、信息处理模块和无线通信模块，而绝大部分的能量消耗集中在无线通信模块上，约占整个传感器节点能量消耗的80%。因此，传感器节点设计应围绕低功耗进行。

（3）节点限制

传感器节点具有的处理能力、存储能力、通信能力和电源能力都十分有限，所以传感器节点在实现各种网络协议和应用控制中存在以下约束条件。

① 电源能量有限。传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池。由于传感器节点个数多、成本低、分布区域广、部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。

传感器的能耗模块包括传感器模块、处理器模块和无线通信模块。随着电路工艺的进步，处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上。

无线通信模块存在发送、接收、空闲和休眠4种状态。无线通信模块在空闲状态一直监听无线信息的使用情况，检查是否有数据发送给自己，而在休眠状态则关闭通信模块。无线通信模块在发送状态的能量消耗最大；在空闲状态和接收状态的能量消耗接近，比发送状态的能量消耗少一些；在休眠状态的能量消耗是最小的。所以，在设计ZigBee无线传感器网络系统时，如何让网络通信更有效率，减少不必要的转发和接收，在不需要通信时传感器节点尽快进入休眠状态，是传感器网络协议设计需要重点考虑的问题。

② 通信能力有限。随着通信距离的增加，无线通信的能量消耗急剧增加。因此，在满足通信连通度的前提下，应尽量减少单跳（即一跳）的通信距离。考虑到传感器节点的能量限制和网络覆盖区域大，ZigBee无线传感器网络采用多跳的传输机制。

③ 计算和存储能力有限。传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱。每个传感器节点兼顾传统网络的终端和路由器双重功能。为了完成各种任务，传感器节点需要完成监测数据的采集和转换、数据管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。如何利用有限的计算和存储完成诸多协同任务成为传感器网络协议设计的挑战。

1.2.2　ZigBee无线传感器网络系统结构

ZigBee无线传感器网络根据不同的情况可以由一个网关、一个或多个路由器、一个或多个传感器节点组成。系统大小只受PC软件观测数量、路由深度和网络最大负载量限制。ZigBee 2007无线传感器网络在没有进行网络拓扑修改之前支持5级路由、31 101个网络节点。传感器网络系统结构如图1.4所示。

图1.4　ZigBee无线传感器网络系统结构示意图

1.2.3　ZigBee无线传感器网络工作流程

ZigBee无线传感器网络基于ZigBee协议栈无线网络，在网络设备安装过程、架设过程中自动完成。完成网络的架设后用户便可以由PC、ARM 终端，平板电脑或者手持设备发出命令读取网络中任何设备上挂接的传感器的数据，以及测试其电压。简单的工作流程描述如图1.5所示。

图1.5　ZigBee无线传感器网络工作流程示意图

1.3　ZigBee无线传感器网络的通信协议架构

1.3.1　概述

ZigBee以IEEE 802.15.4协议为基础，使用全球免费频段进行通信。传输速率分别为250kbps、20kbps和40kbps。IEEE 802.15.4工作组主要负责制定PHY层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准，高层应用、测试和市场推广等方面的工作将由ZigBee联盟负责。ZigBee联盟成立于2002年8月，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成，如今已经吸引了200多家芯片公司、无线设备公司及开发商加入。ZigBee是一个由可多到65 000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似于现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个ZigBee网络数传模块类似于移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75m，到扩展后的几百米，甚至几千米；另外，整个ZigBee网络不仅可以无限扩展，而且还可以与现有的各种网络进行连接。

IEEE 802.15.4描述了低速率无线个人局域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）的物理层和媒体接入控制协议，属于IEEE 802.15.4工作组。ZigBee技术是基于IEEE 802.15.4标准的无线技术，IEEE 802.15.4只负责ZigBee的物理层和MAC层，ZigBee网络协议架构分层如图1.6所示。

图1.6　ZigBee网络协议架构分层

不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立的，因而它必须具有操作简单、使用方便、工作可靠、价格低廉的特点；而移动通信网主要是为语音通信而建立的。每个移动基站价值一般都在百万元以上，而每个ZigBee基站仅需100～200元。每个ZigBee网络节点不仅本身可以与监控对象进行连接，直接进行数据的采集和监控，还可以自动中转别的网络节点采集的数据；除此以外，它还可以在自己信号覆盖的范围内和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点无线连接。

每个ZigBee网络节点可以支持255个传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备都可以有8种不同的接口方式，可以采集和传输数字量和模拟量。

1.3.2　ZigBee无线网络通信信道分析

各个国家都有自己的无线电管理结构，如美国的联邦通信委员会（Federal Communicatians Commission，FCC）、欧洲的电信标准协会（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）等。我国的无线电管理机构是中国无线电管理委员会，其主要负责无线电频率的划分、分配与指配，卫星轨道位置的协调和管理，无线电监测、检测、干扰的查处，协调处理电磁干扰事宜和维护空中电波秩序等。中国无线电管理机构对频段的划分及其主要用途如表1.3所示。

表1.3　频段的划分及其主要用途

频段	符号	频　　率	波段	波　　长	传播特性	主 要 用 途
甚低频	VLF	3～30kHz	超长波	10～101km	空间波	对潜通信
低频	LF	30～300kHz	长波	1～10km	地波	对潜通信
中频	MF	0.3～3MHz	中波	100～1000m	地波与天波	通用业务、无线电广播
高频	HF	3～30MHz	短波	10～100m	天波与地波	远距离短波通信
甚高频	VHF	30～300MHz	米波	1～10m	空间波	空间飞行器通信
超高频	UHF	0.3～3GHz	分米波	0.1～1m	空间波	微波通信
特高频	SHF	3～30GHz	厘米波	1～10cm	空间波	卫星通信
极高频	EHF	30～300GHz	毫米波	1～10mm	空间波	波导通信

IEEE 802.15.4工作在工业科学医疗（Industrial、Scientific and Medical，ISM）频段，即2.4GHz频段和868/915MHz频段。在IEEE 802.15.4中，总共分配了27个具有3种速率的信息。

在2.4GHz频段，共有16个信道，信道通信速率为250kbit/s。

在915MHz频段，共有10个信道，信道通信速率为40kbit/s。

在896MHz频段，共有1个信道，信道通信速率为20kbit/s。

ZigBee无线传感器网络系统统一使用2.4GHz频段，这些信息的中心频段按表1.4所示的定义（k为信道数）进行分配。

表1.4　ZigBee无线传感器网络信道分布

信 道 编 号	中 心 频 率	信 道 间 隔	频 率 上 限	频 率 下 限
k=0	868.3		868.6	868.0
k=1，2，3，…，10	906+2(k-1)	2	9 028.0	902.0
k=11，12，13	2 401+5(k-11)	5	2 483.5	2 400.0

ISM频段分布示意如图1.7所示。

一个IEEE 802.15.4可以根据ISM频段、可用性、拥挤状况和数据速率在27个信道中选择一个工作信道。从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。例如，对于有些计算机外围设备与互动式玩具，可能需要250kbit/s的速率，而对于其他许多应用，如各种传感器、智能标记和家用电器等，20kbit/s这样的低速率就能满足要求了。不同的数据传输率适用于不同的场合。例如，868/915MHz频段物理层的低速率换取了较好的灵敏度和较大的覆盖面积，从而减少了覆盖给定物理区域所需的节点数。2.4GHz频段物理层的较高速率适用于较高的数据吞吐量、低延时或低作业周期的场合。

图1.7　ISM频段分布示意图

2.4GHz频段日益受到重视，原因主要有三：首先它是一个全球性的频段，开发的产品具有全球通用性；其次，它整体的频宽胜于其他 ISM 频段，这就提高了整体数据传输速率，允许系统共存；第三就是尺寸，2.4GHz 无线电和天线的体积相当小，产品体积更小。虽然每一种技术标准都进行了必要的设计来减小干扰的影响，但是为了能让各种设备正常运行，对他们之间的干扰、共存分析显然是非常重要的。

ZigBee 技术的抗干扰特性主要是抗同频干扰，即来自共用相同频段的其他技术的干扰。对于同频干扰的抵御能力是极为重要的，因为它直接影响到设备的性能。ZigBee在2.4GHz频段内具备强抗干扰能力就意味着能够可靠地与Wi-Fi、蓝牙、WirelessUSB 以及家用的无绳电话和微波炉共存。

IEEE802.15.4标准中提供了很多机制来保证ZigBee在2.4GHz频段和其他无线技术标准的共存能力。

IEEE802.15.4物理层在碰撞避免机制（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）中提供空闲信道评估（Clear Channel Assessment，CCA）的能力，即如果信道被其他设备占用，允许传输退出而不必考虑采用的通信协议。

ZigBee个人区域网中的协调器首先要扫描所有的信道，然后再确认并加入一个合适的PAN，而不是自己去创建一个新PAN，这样就减少了同频段PAN的数量，降低了潜在的干扰。如果干扰源出现在重叠的信道上，协调器上层的软件要应用信道算法选择一个新的信道。

IEEE802.11b信道分布示意如图1.8所示。对比IEEE 802.11b和IEEE 802.15.4信道算法，有4个IEEE 802.15.4信道（n=15，16，21，22）落在3个IEEE 802.11b信道的频带间距上，这些间距上的能量不为零，但是会比信道内的能量低，将这些信道作为IEEE 802.15.4网络工作信道可以将系统间的干扰降至最小。在网络初始化或者响应中断时，ZigBee设备都会先扫描一系列被列入信道表参数中的信道，以便进行动态信道选择。在有IEEE 802.11b网络活跃的工作环境中建立一个IEEE 802.15.4网络，可以按照上述空闲信道来设置信道表参数，以便加强网络的共存性能。

图1.8　IEEE802.11b信道分布示意图

1.3.3　ZigBee的网络号

ZigBee协议使用一个16位的个域网络标识符（Personal Area Network ID，PANID）来标识一个网络。Z-Stack允许用两种方式配置PANID。PANID是一个32位标设，范围从0x0000～0xFFFF。当ZDAPP_CONFIG_PAN_ID值不设置为0xFFFF时，设备建立或加入网络的PAN ID由ZDAPP_CONFIG_PAN_ID指定；如果设置ZDAPP_CONFIG_PAN_ID为0xFFFF，那么设备就将建立或加入一个“最优”的网络。

PANID的出现一般是在确定信道以后。PANID针对一个或多个应用的网络，用于区分不同的ZigBee网络，一般是Mesh或者Cluster Tree两种拓扑结构之一。所有节点的PANID唯一，即一个网络只有一个PANID，它是由PAN协调器生成的，PANID是可选配置项，用来控制 ZigBee路由器和终端节点要加入哪个网络。文件f8wConfg.cfg可以设置为0x0000～0x3FFF之间的一个值。协调器使用这个值，作为它要启动的网络的PANID。而对于路由器节点和终端节点来说，只要加入一个已经用这个参数配置了PANID的网络。如果要关闭这个功能，只要将这个参数设置为0xFFFF。要更进一步控制加入过程，则需要修改ZDApp.c文件中的ZDO_NetworkDiscoveryConfirmCB函数。当然，如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID被定义为0xFFFF，那么协调器将根据自身的IEEE地址建立一个随机的PANID（0x0000～0x3FFF）。

1.3.4　ZigBee的地址

在ZigBee无线传感器网络中，节点有两个地址。一个是物理（IEEE或扩展）地址，每个CC2530单片机的IEEE在出厂时就已经定义好了（当然，在用户学习阶段可能通过编程软件SmartRF Flash Programmer修改设备的IEEE地址）。当一个ZigBee节点需要加入网络时，其物理地址必须不能与现有网络节点的物理地址有冲突，并且不为0xFFFF。另一个是网络地址（16位）。该地址是在设备加入网络时，按照一定的算法计算得到并分配给加入网络的设备。网络地址在某个网络中是唯一的，16位的网络地址主要有两个功能：在网络中标识不同的设备；在网络数据传输时指定目的地址。

1.3.5　ZigBee的设备类型

ZigBee规范定义了3种类型的设备，每种都有自己的功能要求。ZigBee协调器是启动和配置网络的一种设备。协调器可以保持间接寻址用的绑定表格，支持关联，同时还能设计信任中心和执行其他活动。协调器负责网络正常工作以及保持同网络其他设备的通信。一个ZigBee网络只允许一个ZigBee协调器。

ZigBee节点一般包括终端节点、路由节点和协调器3种节点类型。

① 终端节点（End Device）：只负责数据信息的采集和环境的检测，一般数量比较多。

② 路由节点（Router）：负责数据的转发功能，一个路由节点可以与若干个路由节点或终端节点通信。

③ 协调器（Coordinator）：网络的控制中心，负责一个网络的建立，可以与此网络中的所有路由节点或终端节点通信。

ZigBee路由器是一种支持关联的设备，能够将消息转发到其他设备。ZigBee网格或树型网络可以有多个ZigBee路由器。ZigBee星型网络不支持ZigBee路由器。

ZigBee终端设备可以执行它的相关功能，并使用ZigBee网络到达其他需要与其通信的设备，它的存储容量要求最小，其可以实现ZigBee低功耗设计。

上述3种设备根据功能完整性可分为全功能设备（Full Functional Device，FFD）和精简功能设备（Reduce Function Device，RFD）。其中FFD可作为协调器、路由器和终端设备，而RFD只能用于终端设备。一个FFD可与多个RFD或多个其他FFD通信，而一个RFD只能与一个FFD通信。

1.4　ZigBee无线传感器网络拓扑结构

ZigBee支持包含有主从设备的星型、树型和网状等拓扑结构。虽然每一个ZigBee设备都有一个唯一的64位的IEEE地址，并可以用这个地址在PAN中进行通信，但在从设备和网络主协调器建立连接后会为它分配一个16位的短地址，此后就可以用这个短地址在PAN内进行通信。64位的IEEE地址是唯一的绝对地址，相当于计算机的MAC地址；而16位的短地址是相对地址，相当于IP地址。

1．星型拓扑

星型拓扑是最简单的一种拓扑形式，包含一个协调器（Coordinator）和一系列的终端节点（End Device），其结构如图1.9所示。每一个终端节点只能和协调器进行通信。如果需要在两个终端节点之间进行通信则必须通过协调器进行信息的转发。

图1.9　星型拓扑结构示意图

这种拓扑形式的缺点是节点之间的数据路由只有唯一的一个路径。协调器有可能成为整个网络的瓶颈。实现星形网络拓扑不需要使用ZigBee 的网络层协议，因为本身IEEE 802.15.4的协议层就已经实现了星型拓扑形式，但是这需要开发者在应用层做更多的工作，包括自己处理信息的转发。

2．树型拓扑

树型拓扑包括一个协调器以及一系列的路由器和终端节点。协调器连接一系列的路由器和终端节点，其子节点的路由器也可以连接一系列的路由器和终端节点，这样可以重复多个层级。树型拓扑的结构如图1.10所示。

图1.10　树型拓扑结构示意图

需要注意以下几点。

① 协调器和路由器可以包含自己的子节点。

② 终端节点不能有自己的子节点。

③ 有同一个父节点的节点称为兄弟节点。

④ 有同一个祖父节点的节点称为堂兄弟节点。

树型拓扑中的通信规则如下。

① 每一个节点都只能与其父节点和子节点进行通信。

② 如果需要从一个节点向另一个节点发送数据，那么信息将沿着树的路径向上传递到最近的祖先节点，然后再向下传递到目标节点。

这种拓扑方式的缺点就是信息只有唯一的路由通道。另外，信息的路由是由协议栈层处理的，整个路由过程对于应用层是完全透明的。

3．网状拓扑（Mesh拓扑）

网状拓扑包含一个协调器和一系列的路由器和终端节点。这种网络拓扑形式和树型拓扑相同，可参考上面所提到的树型网拓扑。但是，网状拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由节点之间可以直接通信。这种路由机制使得信息的通信变得更有效率，而且意味着一旦一个路由路径出现了问题，信息可以自动地沿着其他的路由路径进行传输。网状拓扑的结构如图1.11所示。

通常在支持网状网络的实现上，网络层会提供相应的路由探索功能，这一特性使得网络层可以找到信息传输的最优化路径。需要注意的是，以上所提到的特性都由网络层来实现，应用层不需要进行任何参与。

网状拓扑结构的网络具有强大的功能，可以通过“多级跳”的方式来通信。该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络，这种网络具备自组织和自愈功能。星型和树型网络适合点对点、距离相对较近的应用。

图1.11　网状拓扑结构示意图

1.5　ZigBee无线传感器网络面临的技术挑战和发展趋势

1.5.1　ZigBee无线传感器网络面临的技术挑战

ZigBee无线传感器网络是一种独立出现的计算机网络，它的基本组成单位是节点，这些节点集成了传感器、微处理器、无线接口和电源4个模块。可以将传统的计算机网络技术中已成熟的解决方案借鉴到无线传感网络中来，但基于无线传感网络自身的用途和优点，开发专用的通信协议和路由算法已经成为当前无线传感网络领域内急待研究的课题，如ZigBee无线网络国际通信标准。

1．能源消耗

ZigBee无线传感器节点通常由电池供电，供电容量一般不会很大。由于长期工作在无人值守的环境中，通常无法给传感器节点充电或更换电池，一旦电池用完，节点也就失去了作用。这要求在ZigBee无线传感器网络运行的过程中，每个节点都要最小化自身的能量消耗，获得最长的工作时间；因而ZigBee无线传感器网络中的各项技术和协议的使用一般都以节能为前提。

2．实时性

ZigBee无线传感器网络应用大多有实时性的要求。例如，目标在进入监测区域之后，网络系统需要在一个很短的时间内对这一事件做出响应，其反应时间越短，系统的性能越好。又如，车载监控系统需要每10ms读1次加速度仪的测量值，否则将无法正确估计速度，导致交通事故，这些应用都对ZigBee无线传感器网络的实时性设计提出了很大的挑战。

3．低成本

组成ZigBee无线传感器网络的节点众多，单个节点的价格会极大程度地影响系统的成本，为了达到降低单个节点成本的目的，需要设计对计算、通信和存储能力均要求较低的简单网络系统和通信协议。此外，ZigBee无线传感器网络系统具有配置和自修复的能力，还可以减少系统管理与维护的开销和降低系统的成本。

4．网络安全

ZigBee无线传感器网络系统具有严格的资源限制，需要设计低开销的通信协议，同时也会带来严重的安全问题，如何使用较小的能量完成数据加密、身份认证、入侵检测以及在破坏或受干扰的情况下可靠地完成任务，也是ZigBee无线传感器网络研究和设计面临的一个挑战。

5．协作

单个的传感器节点往往不能完成对目标的测量、跟踪和识别，而需要多个传感器节点采用一定的算法通过交换信息，对所获得的数据进行加工、汇总和过滤，并以事件的形式得到最终结果。数据的传递协作涉及网络协议的设计和能量的消耗，也是目前ZigBee无线传感器网络面临的一个挑战。

1.5.2　ZigBee无线传感器网络的发展趋势

针对ZigBee无线传感器网络面临的技术挑战，其发展趋势主要体现在以下几个方面。

1．灵活、自适应的网络协议体系

ZigBee无线传感器网络广泛应用于军事、环境、医疗、家庭、工业等领域。其网络协议、算法的设计和实现与具体的应用都有着紧密的关联。在环境监测中需要使用静止、低速的ZigBee无线传感器网络；在军事应用中需要使用移动的、实时性强的ZigBee无线传感器网络；在智能交通里还需要将射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术和ZigBee无线传感器网络技术整合起来使用。这些面向不同应用背景的ZigBee无线传感器网络所使用的路由机制、数据传输模式、实时性要求以及组网机制等都有着很大的差异，因而网络性能各有不同。目前ZigBee无线传感器网络研究中所提出的各种网络协议都是基于某种特定的应用而提出的，这给ZigBee无线传感器网络的通用化设计和使用带来了巨大的困难，如何设计功能可裁剪、自主灵活、可重构和适应于不同应用需求的ZigBee无线传感器网络协议体系结构，将是未来ZigBee无线传感器网络发展的一个重要方向。

2．跨层设计

ZigBee无线传感器网络有着分层的体系结构，因此在设计时也大都是分层进行的。各层的设计都相互独立且具有一定局限性，因而各层的优化设计并不能保证整个网络的设计最优。针对此问题，一些研究者提出了跨层设计的概念。跨层设计的目标就是实现逻辑上并不相邻的协议层之间的设计互动与性能平衡。对ZigBee无线传感器网络的能量管理机制、低功耗设计等在各层设计中都有所体现，但要使整个网络的节能效果达到最优，还应采用跨层设计的思想。

将MAC层与路由相结合进行跨层设计可以有效地节省能量，延长网络的寿命。同样，传感器网络的能量管理和低功耗设计也必须结合实际跨层进行。此外，在时间同步和节点定位方面，采用跨层优化设计的方式，能够使节点直接获取物理层的信息，有效避免本地处理带来的误差，获得较为准确的相关信息。

3．ZigBee标准规范

ZigBee是一种新型无线网络通信规范，主要用于近距离无线连接。ZigBee的基础是IEEE 802.15.4技术标准。802.15.4标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10m左右的低速连接，可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等消费与商业应用领域。ZigBee当然不仅只是802.15.4的名字。IEEE 802.15.4仅处理低级MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和AH进行了标准化，还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。此外，ZigBee还具有低传输速率、低功耗、协议简单、时延短、安全可靠、网络容量大、优良的网络拓扑能力等优点。ZigBee的这些优点极好地支持了ZigBee无线传感器网络：它能够在众多微小的传感器节点之间相互协调通信，这些节点只需要很低的功耗，以多跳接力的方式在节点间传送数据，因而通信效率非常高。目前，ZigBee联盟正在进行协议标准的整合工作，该标准的成功制定对于ZigBee无线传感器网络的推广使用将有着深远、重要的意义。

在标准规范的制订方面，主要是IEEE802.15.4小组与ZigBee联盟（ZigBee Alliance）两个组织，两者分别制订硬件与软件标准，两者的角色分工就如同IEEE802.11小组与Wi-Fi之间的关系。在IEEE802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4小组，负责制订介质访问控制路层（MAC层）与物理层（PHY层）规范，2003年5月通过802.15.4 标准。802.15.4任务小组目前在着手制订802.15.4 b标准，此标准主要是加强802.15.4标准，包括解决标准有争议的地方，降低复杂度，提高适应性并考虑新频段的分配等。ZigBee建立在802.15.4标准之上，它确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。802.15.4 仅定义了PHY层和MAC层，并不足以保证不同的设备之间可以对话，于是便有了 ZigBee 联盟。

为推动ZigBee技术的发展，Chipcon、Ember、Freescale、Honeywell、Mistubishi、Motorala、Philips和Samsung 等共同成立了ZigBee联盟。目前该联盟已经包含150多家会员。根据市场研究机构IC Insights的最新预测报告，2015年全球ZigBee器件的出货量将达到132亿个。

ZigBee无线传感器网络各层示意如图1.12所示。IEEE 802.15.4仅定义了PHY层和MAC层的数据传输规范，而ZigBee协议定义了NWK层、应用程序支持子层以及应用层的数据传输规范。这就构成了ZigBee无线传感器网络。

图1.12　ZigBee无线传感器网络各层示意图

4．与其他网络的融合

ZigBee无线传感器网络和现有网络的融合将带来新的应用。例如，ZigBee无线传感器网络与互联网、移动通信网的融合，一方面使ZigBee无线传感器网络得以借助这两种传统网络传递信息，另一方面这两种网络可以利用传感信息实现应用的创新。此外，将ZigBee无线传感器网络作为传感与信息采集的基础设施融合进网络体系，构建一种全新的基于ZigBee无线传感器网络的网络全系——ZigBee无线传感器网络。传感器网络专注于探测和收集环境信息；复杂的数据处理和存储等服务则交给网络来完成，将为大型的军事应用、科研、工业生产和商业交易等应用领域提供一个集数据感知、密集处理和海量存储于一体的强大的操作平台。

传感器网络与物联网的对比见表1.5。

表1.5　传感器网络与物联网的对比

对　比　项	传感器网络	物　联　网
定义	传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络	利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别
终端	大量的传感器节点	传感器、RFID、二维条码、GPS、内置移动的模块
基础网络	无	传感网、互联网、移动网等
通信对象	物对物	物对物、物对人

1.6　ZigBee无线传感器网络的应用

传感器网络具有广阔的应用前景，能够应用于环境监测、安全防卫、智能家居与医疗护理等多个领域。

1．环境监测

环境监测是ZigBee无线传感器网络最基本的应用之一。由于人力资源有限，无法时刻关注环境变化。在这种情况下，可以将大量廉价的传感器节点部署于感兴趣的环境中，实时收集相关数据信息感知环境变化。常见的环境监测场景有水污染监测、空气质量监测、精细农业操作与动物生活习性监测等。由于环境监测系统对信息传输的延迟要求不高，设计系统面临的主要问题是，如何在保证应用需求的情况下调度节点最大化网络寿命。

2．安全防卫

安全防卫是ZigBee无线传感器网络的一项重要应用。部署于被保护区域外围的ZigBee无线传感器网络能够检测入侵目标，估计目标位置并跟踪目标；基于传感器网络提供的信息，系统能够以最快的速度拦截目标。大到国防安全，小到财产安全，均可以通过ZigBee无线传感器网络来实现。常见的安全防卫场景有边境防护、战场环境监控、机场防护与建筑物监控等。安全防卫对入侵者的定位精度及信息的实时传输要求较高，因此，系统设计面临的主要问题是，如何确保入侵者的检测与定位跟踪，以及如何实时汇报入侵者的位置信息给基站。

3．智能家居

随着社会的发展，人们对生活的智能化、自动化要求越来越高。通过在家电中嵌入传感器节点，可以将屋内所有的设备联系在一起组成传感器网络，从而为人们提供更加舒适方便的智能家居环境。如何实现多设备互联是智能家居应用中面临的主要设计问题。

4．医疗护理

将传感器节点安装在老年人或者病人的身体上，实时汇报身体状态信息，医生通过远程的方式了解病人的实时状况，并采取相应的医疗措施。ZigBee无线传感器网络将有效地解决医疗资源匮乏的问题，降低医疗成本，在老龄化日益严重的今天发挥越来越重要的作用。设计适合采集身体状况数据的节点与建立有效的医疗系统是医疗护理应用面临的主要问题。

5．目标跟踪与定位

目标跟踪是指当目标在部署区域移动时，不断有传感器节点检测到目标，估计目标位置并实时汇报目标位置给基站。目标跟踪同样是ZigBee无线传感器网络众多应用的研究基础，尤其在安全防卫领域发挥着重大作用。例如，战场入侵者拦截：当入侵者进入部署区域后，将目标位置汇报给基站，基站派出人员拦截入侵者。然而，目标是不断移动的，因此网络需要跟踪目标，不断提供目标的实时位置信息，指引己方人员对入侵者的拦截。

在传感器网络中，节点的感知范围有限，只有目标附近的节点能够感知目标，远离目标的节点无法提供有效的信息。因此，通过唤醒目标附近的节点，休眠远离目标的节点可以节省节点能耗，延长网络寿命。同时，由于节点资源有限，单个节点无法准确估计目标位置，从而要求多节点协作共同跟踪目标。如何能有效地调度节点跟踪目标的同时实时汇报目标位置到基站，是目标跟踪与定位应用面临的主要问题。

项目小结

（1）ZigBee无线传感器网络是大量的传感器节点以自组织或者多跳的方式构成的无线网络。

（2）传感器负责在传感器网络中感知和采集数据，它处于ZigBee无线传感器网络的感知层，是识别物体、采集信息的设备。

（3）ZigBee无线传感器网络由传感器节点、汇聚节点和任务管理节点等几部分组成。

（4）ZigBee无线传感器网络的主要软件协议栈由物理层（PHY层）、介质访问控制层（MAC层）、网路层（NWK层）和应用层（APL层）组成。

主要概念

ZigBee无线传感器网络、ZigBee、传感器节点、传感器网络、IEEE 802.15.4。

实训项目

任务一　ZigBee简单自组网

[任务目标]

（1）通过ZigBee组网，掌握ZigBee无线传感器网络构架。

（2）利用监测软件或网关代理软件，进行ZigBee组网测试。

（3）培养学生协作与交流的意识与能力，让学生进一步认识ZigBee无线传感器网络构架。

[内容与要求]

（1）ZigBee组网。

（2）利用监测软件，检测组网的正确与否。

任务二　ZigBee网关自组网实验

[任务目标]

（1）通过ZigBee组网，掌握ZigBee无线传感器网络构架。

（2）利用网关监测软件，进行ZigBee组网测试。

（3）培养学生协作与交流的意识与能力，让学生进一步认识ZigBee无线传感器网络构架。

[内容与要求]

（1）ZigBee组网。

（2）利用网关监测软件，检测组网的正确与否。

任务三　ZigBee数据包分析

[任务目标]

（1）通过ZigBee组网，掌握ZigBee数据包的组成和形式。

（2）利用Packet Sniffer软件，进行ZigBee数据包的组成及地址分析。

（3）培养学生协作与交流的意识与能力，让学生进一步认识ZigBee无线传感器网络数据包。

[内容与要求]

（1）ZigBee组网。

（2）利用Packet Sniffer软件，进行ZigBee数据包的组成及地址分析。

实训考核

任务一　 ZigBee简单自组网

考核要素	评价标准	分值 （分）	评分（分）
			自评（10%）	小组（10%）	教师（80%）	专家（0%）	小计（100%）
ZigBee组网特性分析	① ZigBee组网的操作步骤和无线组网架构	40
ZigBee组网监测	② 利用ZigBee Sensor Monitor(1.2.0)软件或者网关代理软件进行网络拓扑结构图分析	30
分析总结		30
合计
评语（主要是建议）

任务二　 ZigBee网关自组网实验

考核要素	评价标准	分值 （分）	评分（分）
			自评（10%）	小组（10%）	教师（80%）	专家（0%）	小计（100%）
ZigBee组网特性分析	① ZigBee组网的操作步骤和无线组网架构，理解网关与PC机的通信特性和作用	40
ZigBee组网监测	② 利用ZigBee Sensor Monitor（1.2.0）软件进行网络拓扑结构图分析	30
分析总结		30
合计
评语（主要是建议）

任务三　 ZigBee数据包分析

考核要素	评价标准	分值 （分）	评分（分）
			自评（10%）	小组（10%）	教师（80%）	专家（0%）	小计（100%）
ZigBee组网特性分析	① ZigBee组网的操作步骤和无线组网架构，理解ZigBee无线传感器网络的通信特性和作用	40
ZigBee数据包分析	② 利用Packet Sniffer软件，进行ZigBee数据包的组成及地址分析	30
分析总结		30
合计
评语（主要是建议）

实训参考

任务一　ZigBee简单自组网

1．实验设备

实 验 设 备	数量	备　　注
ZigBee Debugger仿真器	1	下载和调试程序
CC2530节点	4	调试程序
USB线	4	连接PC机、网关板、调试器
RS232串口连接线	1	调试程序
SmartRF Flash Programmer软件	1	烧写物理地址软件
电源	5	供电
ZigBee Sensor Monitor（1.2.0）	1	监控软件
网关代理软件	1	选配

2．实验过程

（1）选择测试代码文件夹下的无线自组网对应文件，利用ZigBee仿真器下载，烧写hex文件到相应传感器的E²PROM中。

（2）分别将无线自组网对应文件下的协调器、终端节点、路由器的hex文件下载到相应的传感器中（注：个别厂家需要烧写两次）。

（3）按照图1.13所示的网络拓扑图组网。

图1.13　网络拓扑结构示意图

（4）打开协调器电源和其他ZigBee模块电源，然后用串口线将协调器和PC连接起来，打开节点监控软件，此时会输出网络的拓扑信息，获取网络拓扑实验测试效果，如图1.14所示。

图1.14　获取网络拓扑实验测试效果示意图

思考：

（1）与同一个父节点相连的终端节点的网络地址有什么关系？

（2）各节点的角色分别是什么？承担什么任务？

（3）终端节点之间能否相互通信？怎样进行相互通信？

任务二　ZigBee网关自组网实验

1．实验设备

嵌入式物联网实验箱平台内的ZigBee仿真器1个，ZigBee无线传感器网络节点（有源节点）4个，网关主板（包括ZigBee协调器）1块，电源若干，RS232串口连接线1根，AccessPort软件1套，烧写物理地址软件SmartRF Flash Programmer（物理地址烧写可参考项目二中的内容）。

2．实验过程

（1）选择测试代码文件夹下的无线自组网对应文件，利用ZigBee仿真器下载，烧写hex文件到相应传感器的E²PROM中。

（2）分别将无线自组网对应文件下的协调器、终端节点、路由器的hex文件下载到相应的传感器中（注：个别厂家需要烧写两次）。

（3）接通电源开关，并把网关主板ZigBee 接口右边的开关向下拨，网关与PC之间利用以太网线进行连接。

（4）PC环境配置方法：设置PC机IP地址为192.168.1.120（ARM网关默认的IP地址），子网掩码为255.255.255.0，如图1.15所示。

ARM网关网口灯亮，PC右下角如图1.16所示，ARM网关与PC机连接成功。

图1.15　设置IP地址与子网掩码

图1.16　网关连接成功示意图

如果连接不成功，可以采用ipconfig查看本机的IP地址，采用ping网关地址查看连接情况。

注：连线前，必须运行烧写软件将hex文件下载到网关；连线后，在网关单击“run”按钮运行，检查网关与PC的连接状况。

（5）按照图1.17所示的网络拓扑组网。

打开协调器电源和其他ZigBee模块电源，然后用串口线将协调器和PC连接起来，打开节点监控软件，获取网络拓扑实验测试效果，如图1.18 所示。

图1.17　网络拓扑图

图1.18　获取网络拓扑实验测试效果示意图

注：执行对整个Flash进行擦除，因此芯片中的IEEE地址也相应地被擦除了。可重新写入，在用该软件写入的时候，注意0x后面的是低位在前、高位在后（CC2430的CPU是小端模式）。会话层负责主机间的通信。

注：配置好以后，就可以下载了，在Flash Programmer中，先选 EB application，下载不了，提示“flash image overlaps with the bootloader”，改用 system on chip 下载就好用了。

思考：

（1）通过实验，体验网关的主要作用是什么。

（2）一个终端节点退出网络后，其他节点如何组网？如何理解自主网和自愈功能？

（3）比较ZigBee无线传感器网络与以太网的区别。

任务三　ZigBee数据包分析

1．实验设备

实 验 设 备	数量	备　　注
ZigBee Debugger仿真器	1	下载和调试程序
CC2530节点	4	调试程序
USB线	4	连接PC机、网关板、调试器
RS232串口连接线	1	调试程序
SmartRF Flash Programmer软件	1	烧写物理地址软件
电源	5	供电
Packet Sniffer	1	调试程序，分析数据包和格式

2．实验过程

（1）选择测试代码文件夹下的无线自组网对应文件，利用ZigBee仿真器下载，烧写hex文件到相应传感器的E²PROM中。

（2）按照图1.19所示将协调器与PC之间用串口连接，如果用USB线连接，需要串口转USB驱动，否则无法运行（注：需要安装串口转USB驱动程序）。

（3）先将协调器上电，接着将终端节点、路由节点分别上电，接入网络（注：必须在同一PAN ID和信道）。

（4）Packet Sniffer 是一款专门的协议分析软件，可以对PHY、MAC、NWK、APL和APS等各层协议上的信息包进行分析和解码；显示出错的包以及接入错误；指示触发包；在接收和注册过程中可连续显示包，可以利用Packet Sniffer分析ZigBee建立网络、加入网络、发送数据、接收数据的过程，需要注意的是，Packet Sniffer 只能起到侦听的作用，即它只能侦听设备发送的数据。

（5）打开Packet Sniffer软件后，选择“IEEE 802.15.4/ZigBee”选项，再单击“start”按钮，如图1.20所示。

图1.19　网络拓扑结构示意图

图1.20　Packet Sniffer选项设置

（6）进入Radio Configuration选项，进行IEEE 802.15.4 Channel选择，如图1.21所示。

图1.21　Packet Sniffer信道选项设置

注：本教程配套的hex文件的IEEE 802.15.4 Channel为0x0B。

（7）进入Packet Sniffer软件界面后，单击三角形图标启动捕获功能，在刚打开软件还没有形成网络时会出现分析得到的画面。Packet Sniffer软件捕获数据包如图1.22所示。

图1.22　Packet Sniffer软件捕获数据包示意图

思考：

（1）协调器的网络地址是什么？

（2）终端节点的网络地址是什么？

（3）为什么不使用网络地址作为源地址？

（4）第1～7行体现了ZigBee无线传感器网络的什么功能？

（5）终端节点在网络通信时为什么不使用节点的IEEE地址作为源地址进行通信？

课后练习

一、填空题

（1）ZigBee无线传感器网络是大量的传感器节点以　　　　或者　　　　的方式构成的无线网络。

（2）　　　　、　　　　、　　　　、　　　　是构成ZigBee无线传感器网络的关键技术。

（3）ZigBee无线传感器网络由　　　　、　　　　和　　　　3部分组成。

（4）无线传感器的节点主要分为　　　　、　　　　和　　　　3种类型。

（5） ZigBee无线传感器网络的协议栈主要分为　　　　、　　　　、　　　　、　　　　和　　　　5层。

二、简答题

（1）简述ZigBee无线传感器网络的定义。

（2）简述ZigBee无线传感器网络与物联网的关系。

（3）简述ZigBee无线传感器网络的特点。

（4）ZigBee无线传感器网络与IEEE 802.15.4的主要区别是什么？

（5）在ZigBee无线传感器网络中为什么使用16位地址而不使用64位地址？