發布日期：2022-05-20 點擊率：32
1 引言
物聯網（IOT ，Internet of things）是繼互聯網后又一次技術的革新，代表著未來計算機與通信的發展方向。而物聯網最大的變革在于實現了物理世界的情景感知、處理和控制這一閉環過程，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絡系統。
物聯網架構可分為三層：感知層、網絡層、應用層。感知層是由各種傳感器構成，是物聯網識別物體、采集信息的來源。網絡層是負責傳遞和處理感知層獲取的信息。應用層是物聯網與用戶的接口，它需要與行業需求結合，從而實現物聯網的智能應用。作為物聯網最底層，感知層肩負起很重要的作用，數據要先經過感知層的采集和識別然后才能進行接下來的處理與傳輸等操作。因此，傳感網建立的重要性是十分重大的。
隨著傳感網的不斷發展，以ZigBee協議為基礎的無線傳感網絡（WSN, Wireless Senor Network）的確立，不僅使得在信息采集技術的這一領域有了進一步的發展，而且還帶動了物聯網的快速發展。本文立足于無線傳感網絡作為物聯網的最底層，分析了基于ZigBee的無線傳感網絡，并在此基礎上提出了無線傳感網絡接入到互聯網的網關接入模式。
2 相關技術問題分析
2.1 ZigBee協議棧與無線傳感網絡的技術要點
無線傳感網絡(Wireless Sensor Networks, WSN)是一種技術集成度高，涉及多種前沿科學技術的信息采集變換，組網傳送，融合處理，反饋調節的多信息綜合采集與組網應用系統。在當前的國際信息產業界和技術研究領域里都受到廣泛關注。無線傳感網絡由多個靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，以協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感知對象的信息，并最終把這些信息發送給網絡所有者。無線傳感絡并不需要較高的帶寬，但是需要較低的傳輸延時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的出現正好解決了這一問題，ZigBee有著高通信效率、低復雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數字化等諸多優點。這些優點使得ZigBee與無線傳感網絡完美的結合在一起。以下將對ZigBee協議棧加以說明。
ZigBee協議棧結構由一些層構成，每個層都有一套特定的服務方法(協議)和上一層連接。數據實體(data entity)提供數據的傳輸服務，而管理實體(management entity)提供所有的服務類型。每個層的服務實體通過服務接入點(SAP ,service access point)和上一層相接，每個SAP提供大量服務方法來完成相應的操作。ZigBee協議棧基于標準的OSI七層模型，但只是在相關范圍來定義一些相應層來完成特定的任務。IEEE802.15.4-2003標準定義了下面的兩個層：物理層(PHY層)和媒介層(MAC層)。ZigBee聯盟在此基礎上建立了網絡層(NWK層)以及應用層(APL層)的框架(framework)。APL層又包括應用支持子層(APS ,application support sub-layer)，ZigBee的設備對象(ZDO ,zigbee device object)以及制造商定義的應用對象。ZigBee技術的整體協議架構如下圖1所示。
圖1 ZigBee整體架構
IEEE802.15.4標準定義了物理層(PHY層)和媒介層(MAC層)。物理層是協議的最底層，承擔著與外界直接作用的任務，它采用擴頻通信調制方式，由圖1可以看到這里定義了兩個頻率的物理層，這兩個頻率段分別為868/915MHz和2．4GHz。MAC層負責設備間無線數據鏈路的建立、維護和結束，確認模式的數據傳送和接收，可選時隙，實現低延遲傳輸，支持各種網絡拓撲結構，網絡中每個設備為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：網絡協調器(coordinator)產生網絡信標、網絡中設備與網絡信標同步、完成PAN的入網和脫離網絡過程、網絡安全控制、利用CSMA-CA機制進行信道接入控制、處理和維持GTS(Guaranteed Time Slot)機制、在兩個對等的MAC實體間提供可靠的鏈路連接。
ZigBee又在以上兩層的基礎上提出了網絡層和應用層。網絡層主要負責建立新的網絡、處理節點的進入和離開網絡、根據網絡類型設置節點的協議堆棧、使網絡協調器對節點分配地址、保證節點之間的同步、提供網絡的路由。網絡層確保MAC子層的正確操作，并為應用層提供合適的服務接口。為了給應用層提供合適的接口，網絡層用數據服務和管理服務這兩個服務實體來提供必需的功能。網絡層數據實體(NLDE)通過相關的服務接入點(SAP)來提供數據傳輸服務，即NLDE.SAP；網絡層管理實體(NLME)通過相關的服務接入點(SAP)來提供管理服務，即NLME.SAP。NLME利用NLDE來完成一些管理任務和維護管理對象的數據庫，通常稱作網絡信息庫(Network Information base,NIB)。應用層主要根據具體應用由用戶開發。它維持器件的功能屬性，發現該器件工作空間中其他器件的工作，并根據服務和需求在多個器件之間進行通信。應用層由應用支持子層(APS )、設備對象(ZDO，包括ZDO管理平臺)以及制造商定義的應用設備對象組成。APS子層的作用包括維護綁定表(綁定表的作用是基于兩個設備的服務和需要把它們綁定在一起)、在綁定設備間傳輸信息。ZDO的作用包括在網絡中定義一個設備的作用(如定義設備為協調者或為路由器或為終端設備)、發現網絡中的設備并確定它們能提供何種服務、起始或回應綁定需求以及在網絡設備中建立一個安全的連接。
2.2 TCP/IP協議與互聯網絡通信方式
對于互聯網而言，其傳輸控制與因特網互聯規則也就是TCP/IP協議是Internet最基本的協議。它由網絡層的IP協議和傳輸層的TCP協議組成，此協議采用了四層的層級結構，每一層都呼叫它的下一層所提供的網絡來完成自己的需求。可以這樣說，TCP負責發現傳輸的問題，一旦發現有問題就會要求重新傳輸，直到所有的數據安全正確的傳輸到目的地，而IP是給了因特網的每一臺電腦規定了一個地址。
TCP/IP協議由鏈路層、網絡層、傳輸層以及應用層這四層組成。對于此協議的熟知程度，具體的每層協議的功能在這里將不進行詳細的說明。而網關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關接入模式，在此將對傳輸層以上進行一些分析說明。傳輸層提供應用程序之間的通信。其功能包括：格式化信息流和提供可靠傳輸，為實現后者，傳輸層協議規定接收端必須發回確認，并且假如分組丟失，必須重新發送，從而提供可靠的數據傳輸。而傳輸層的協議主要是：TCP和UDP協議。在本文所提出的的網絡傳輸由于速率因素，我們在此采用TCP傳輸。在TCP傳輸過程中，數據從應用層到傳輸層，數據的報頭是TCP報頭，然后下到網絡層，數據在之前的TCP報頭前在加上IP報頭，IP報頭中有目標IP和源IP，然后到數據鏈路層后又在上層的數據中加上首部和尾部，然后經過物理層傳輸到目的地，經過路由器分析目標IP然后查找路由表在進行轉發，來到目標計算機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，就從應用層到傳輸層，數據帶有TCP報頭就進入網關進行協議的轉換，解封裝后從新封裝從而傳到ZigBee的應用層。
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