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    許英磊（1983－）
男，河北邯鄲人在讀研究生，（西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川  成都  610031），主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用。

摘要：本文簡述了ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)特性，并根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的自組織特性提出一種基于ZigBee技術(shù)的兩層無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)由安裝在貨物車輛上的無線終端節(jié)點(diǎn)、貨場中的中心節(jié)點(diǎn)（中繼節(jié)點(diǎn)）和安裝在控制室的網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)貨物的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)管理控制。

關(guān)鍵詞：IEEE802.15.4；FFD；RFD；貨場

Abstract: This article briefly describes the ZigBee network protocol, the network topology and the network characteristics. Furtheremore, we propose a two-layer wireless network structure based on the organization characteristic of ZigBee technology. The whole network consists of the wireless terminal node, which is installed on the cargo vehicles, the central node (relaying node) in the freight yard and the network central node in control room. This design can realize the real-time supervisory control of the freight. 

Key words:  IEEE802.15.4；FFD；RFD；Freight Yard

1 引言

    現(xiàn)代運(yùn)輸管理體系已經(jīng)開始向全面數(shù)字化方向發(fā)展，傳統(tǒng)的管理方式已經(jīng)越來越不適應(yīng)發(fā)展的需要，并且成本越來越高，這樣對貨場的統(tǒng)一管理帶來很大的困難，而ZigBee技術(shù)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和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。其可用于家庭自動(dòng)化，工業(yè)自動(dòng)化，計(jì)算機(jī)外設(shè)和醫(yī)療設(shè)備等。 本文旨在采用基于ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)兩層網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)貨場的自動(dòng)化控制,提高工作效率和貨場的工作質(zhì)量。

2 ZigBee技術(shù)概述

    ZigBee 技術(shù)是近期發(fā)展起來的一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，主要用于近距離無線連接。

    IEEE 無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(PAN) 工作組的IEEE802. 15 . 4 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee 技術(shù)的基礎(chǔ)。IEEE802.15. 4 工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層(PHY) 、媒體訪問控制層(MAC) 和鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)，而Zigbee 聯(lián)盟負(fù)責(zé)其網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會(huì)聚層和高層應(yīng)用規(guī)范(API) 的制定。

    2.1 ZigBee協(xié)議棧 

圖1   ZigBee協(xié)議棧架構(gòu)

    ZigBee協(xié)議棧（圖1）是基于開放互連標(biāo)準(zhǔn)OSI七層模型，但根據(jù)實(shí)際的需要只定義了其中的部分功能。ZigBee協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成，每層為其上層提供一組特定的服務(wù)：一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，一個(gè)管理實(shí)體提供全部其他服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）為其上層提供接口服務(wù)，并且每個(gè)SAP提供了一系列的基本服務(wù)指令來完成相應(yīng)的功能。ZigBee協(xié)議棧對那些涉及ZigBee的層予以定義。IEEE802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義了最低兩層：物理層PHY和媒體接入控制層MAC，ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了應(yīng)用層APL和網(wǎng)絡(luò)層NWK。 

    Zigbee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層APS、應(yīng)用層框架AF和ZigBee設(shè)備對象ZDO（包括ZDO Management Plane）及制造商定義的應(yīng)用對象。應(yīng)用支持子層APS負(fù)責(zé)維護(hù)綁定表和在兩個(gè)綁定實(shí)體間傳遞信息。ZDO負(fù)責(zé)定義設(shè)備節(jié)點(diǎn)的功能角色，初始或響應(yīng)綁定請求及建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間安全關(guān)系，還負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)現(xiàn)，決定提供何種應(yīng)用服務(wù)。 

    ZigBee網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)機(jī)制包括網(wǎng)絡(luò)的建立和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址的分配，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加入或離開網(wǎng)絡(luò)，并負(fù)責(zé)建立和維護(hù)路由，發(fā)送接收數(shù)據(jù)幀，對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行加密和解密。

    2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 

    ZigBee以一個(gè)個(gè)獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托，通過無線通信組成星狀、串（樹）狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能并非相同。為降低成本，系統(tǒng)中的大部分的節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，從組網(wǎng)通信上，它只是其功能的一個(gè)子集，成為半功能設(shè)備（RFD）；而另外一些節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與所控制的子節(jié)點(diǎn)通信、匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制，或起到通信路由的作用，稱之為全功能設(shè)備（FFD）。無論是哪一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)都有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符，即網(wǎng)絡(luò)號(hào)（PAN標(biāo)識(shí)符）。利用PAN標(biāo)識(shí)符，采用16位的短地址碼進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的通信，并可激活網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的通信。

    2.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)特性 

    ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有低功耗性，兩節(jié)AA電池可工作12至24個(gè)月，這是ZigBee技術(shù)最具優(yōu)勢的地方；低成本；每個(gè)節(jié)點(diǎn)直接通訊距離較遠(yuǎn)，可達(dá)100米以上，若采用多跳網(wǎng)絡(luò)通訊距離將更遠(yuǎn)；ZigBee 網(wǎng)絡(luò)具有高度擴(kuò)充性，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)可多達(dá)255個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，其中一個(gè)是Master設(shè)備，其他的是Slave設(shè)備，若是通過Network Coordinator，則整體網(wǎng)絡(luò)最多可達(dá)到6500個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；低速率，每秒250kbps；高可靠性，提供了數(shù)據(jù)完整性檢查及鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，具體應(yīng)用可靈活確定采用何種安全機(jī)制。 

    ZigBee 采用自組織方式組網(wǎng)，這種構(gòu)架被稱為無基礎(chǔ)構(gòu)架的無線局域網(wǎng)，其對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的設(shè)備數(shù)量不加限制，并可隨時(shí)建立無線通訊鏈路。協(xié)調(diào)器一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，新添加的RFD網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)立刻被網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)，這時(shí)，F(xiàn)FD節(jié)點(diǎn)（中繼節(jié)點(diǎn)）會(huì)把RFD節(jié)點(diǎn)的信息傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編址，并計(jì)算其路由信息，更新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表和設(shè)備關(guān)聯(lián)表等。

3 貨場無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究

    3.1 概述

    無線技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型、樹型和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)，可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要來選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；星型和簇樹型網(wǎng)絡(luò)適合點(diǎn)對多點(diǎn)、距離相對較近的應(yīng)用；MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過“多級跳”的方式來通信；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能。 

    基于無線技術(shù)的貨物動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)的拓?fù)溥x擇涉及許多設(shè)計(jì)方案的權(quán)衡。該網(wǎng)絡(luò)自身也是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，不斷與外界環(huán)境相互影響。運(yùn)送貨物車輛的移動(dòng)、不間斷地進(jìn)出貨物和外界的干擾源等都可以影響網(wǎng)絡(luò)性能。通常拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇要考慮以下幾個(gè)問題：首先，要考慮最糟情況下和一般情況下的連通性拓?fù)洌簯?yīng)用需要的節(jié)點(diǎn)密度和周圍環(huán)境狀況；其次，評估可選擇的情況。最后，還要考慮系統(tǒng)的可升降性和權(quán)衡能耗/資源的限制。

圖2   ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    在本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)最多可以擔(dān)任三種角色：協(xié)調(diào)器，路由器 和終端設(shè)備。這些是邏輯設(shè)備類型。FFD可以與RFD或其他FFD通訊，但RFD卻只能與FFD通訊。RFD是為了極其簡單的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，如燈的開關(guān)或被動(dòng)紅外傳感器；他們并不需要發(fā)射大量的數(shù)據(jù)，只是某一時(shí)間需要與一個(gè)FFD進(jìn)行通訊。因此，RFD只需要使用最少的資源和存儲(chǔ)器空間，與FFD相比擁有較低的成本。FFD可以用來實(shí)現(xiàn)三種邏輯設(shè)備類型，但RFD只能充當(dāng)終端設(shè)備。

    本貨場管理系統(tǒng)的實(shí)際情況如下：（1）無線終端節(jié)點(diǎn)由電池供電，所以應(yīng)該盡量減少無線終端節(jié)點(diǎn)的工作量，以節(jié)約無線終端節(jié)點(diǎn)用電。（2）基于貨場的實(shí)際情況，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，涉及路由尋址等功能，因此，簡單的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不能滿足要求。

    根據(jù)以上分析，本系統(tǒng)采用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。管理機(jī)節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)和無線終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的貨場管理網(wǎng)絡(luò)。其中，管理機(jī)節(jié)點(diǎn)是全功能設(shè)備(FFD)，它作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。它配置較多的存儲(chǔ)空間，完成網(wǎng)絡(luò)初始化，數(shù)據(jù)采集，設(shè)備控制等功能；中心節(jié)點(diǎn)也是全功能節(jié)點(diǎn)，它在網(wǎng)絡(luò)中作為路由器使用，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)和進(jìn)行全時(shí)信道監(jiān)聽；其他的無線終端節(jié)點(diǎn)模塊則是精簡功能設(shè)備(RFD)，完成查詢響應(yīng)、控制設(shè)備和報(bào)警功能等，它們只能與全功能設(shè)備進(jìn)行通信，相互之間不能進(jìn)行通信。

    3.2 具體實(shí)現(xiàn)

    (1)本系統(tǒng)采用兩層無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，上層無線網(wǎng)絡(luò)為分布式結(jié)構(gòu)，包括中心節(jié)點(diǎn)和管理機(jī)；下層網(wǎng)絡(luò)（一層無線網(wǎng)絡(luò)鏈路）為主從結(jié)構(gòu)，包括無線標(biāo)識(shí)基本模塊和區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)。

圖3   兩層無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

    (2)上層無線網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（管理機(jī)模塊）和中心節(jié)點(diǎn)(中繼節(jié)點(diǎn))組成，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器具有新建網(wǎng)絡(luò)的功能，在新建網(wǎng)絡(luò)之前，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器必須先對周圍的無線環(huán)境進(jìn)行檢測，然后才進(jìn)行具體的網(wǎng)絡(luò)配置工作。

    系統(tǒng)上電以后，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以廣播的方式通知上電的中心節(jié)點(diǎn)初始化。偵聽到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)幀之后，中心節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)0-256的隨機(jī)數(shù)，這個(gè)隨機(jī)數(shù)與時(shí)延基數(shù)相乘得出本節(jié)點(diǎn)的時(shí)延。每個(gè)節(jié)點(diǎn)等待隨機(jī)時(shí)延后發(fā)出入網(wǎng)請求（此時(shí)用64位IEEE擴(kuò)展地址作為節(jié)點(diǎn)號(hào)），網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器收到請求后分配給該中心節(jié)點(diǎn)一個(gè)16bit的網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)號(hào)（入網(wǎng)后的節(jié)點(diǎn)號(hào)），并在地址表中記錄該中心節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息，進(jìn)行設(shè)備關(guān)聯(lián)。若中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請求后一分鐘內(nèi)沒有得到回應(yīng)，則重新產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)時(shí)延再次向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)請求。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器完成所有上電的中心節(jié)點(diǎn)初始狀態(tài)的采集，則系統(tǒng)初始化完成。

    圖4顯示了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)從開始掃描周圍信道建立網(wǎng)絡(luò)到中心節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的過程。

圖4   流程圖

    (3)下層網(wǎng)絡(luò)（一層無線網(wǎng)絡(luò)鏈路）為主從結(jié)構(gòu)，包括無線標(biāo)識(shí)基本模塊和區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)，以區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，無線標(biāo)識(shí)模塊為從節(jié)點(diǎn)組成子網(wǎng)。作為主節(jié)點(diǎn)的區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)具備全時(shí)信道監(jiān)聽功能，負(fù)責(zé)聯(lián)系上層網(wǎng)絡(luò)和保持與無線標(biāo)識(shí)模塊的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)通信。

    網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中，新的無線終端節(jié)點(diǎn)上電后發(fā)送入網(wǎng)請求。中心節(jié)點(diǎn)首先判斷該節(jié)點(diǎn)是否在地址表中，如果該節(jié)點(diǎn)不在網(wǎng)絡(luò)中并且網(wǎng)絡(luò)中的無線終端節(jié)點(diǎn)數(shù)沒有超過網(wǎng)絡(luò)容量，則中心節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)地址給該節(jié)點(diǎn)。無線終端節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有得到回應(yīng)，則轉(zhuǎn)向鄰近的中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請求。這樣就完成了節(jié)點(diǎn)的加入。

圖5   節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)圖

    無線終端節(jié)點(diǎn)只能與中心節(jié)點(diǎn)通信，子節(jié)點(diǎn)相互之間不能進(jìn)行通信。整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)均獨(dú)立工作，某一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障只會(huì)影響該節(jié)點(diǎn)所在區(qū)域的部分節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，很難影響全網(wǎng)的穩(wěn)定，而且業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在無線標(biāo)識(shí)模塊和管理機(jī)上雙備份，任一處數(shù)據(jù)丟失均可通過另一處數(shù)據(jù)備份來恢復(fù)，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

    3.3 協(xié)議定義

    無線終端模塊發(fā)送所有的消息到本地協(xié)調(diào)器件，最終的目的地址在NWK報(bào)頭中。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)路由此消息到最終的目的地。如果終端節(jié)點(diǎn)是FFD，它將參與網(wǎng)絡(luò)路由，提供路由能力。大部分情況下，路由由堆棧自動(dòng)完成，不需要任何終端程序的干涉。它允許網(wǎng)絡(luò)范圍的擴(kuò)展，允許在網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器射頻范圍內(nèi)的無線終端節(jié)點(diǎn)通過路由器加入網(wǎng)絡(luò)。

    根據(jù)系統(tǒng)需求，協(xié)調(diào)器會(huì)在非易失性存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)所有網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)，稱為網(wǎng)絡(luò)綁定表。網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器根據(jù)消息的目的地址查找網(wǎng)絡(luò)綁定表，根據(jù)綁定表中的網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)將消息發(fā)送到目的地址或遞交無線網(wǎng)絡(luò)中的另一路由器，由其轉(zhuǎn)發(fā)。路由綁定表在無線通信終端上電初始化時(shí)加載，具體路徑是預(yù)設(shè)好的。在網(wǎng)狀網(wǎng)中，消息發(fā)送的路線沒有確定時(shí)，或者說在綁定表中沒有此消息的綁定路線，路由器將發(fā)起路由的搜索。當(dāng)搜索完成，消息將按照最佳的有效路由發(fā)送。同時(shí)記錄此路由至路由綁定表中。路由過程如圖6所示。

    本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)FD節(jié)點(diǎn)連接采用ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以保證網(wǎng)絡(luò)的健壯性。貨場中的所有FFD節(jié)點(diǎn)，在上電時(shí)初始化，加載路由綁定表，其中路由綁定表按一定算法算出。若無線終端節(jié)點(diǎn)要發(fā)送數(shù)據(jù)至管理機(jī)模塊時(shí)，先發(fā)送數(shù)據(jù)至本地的路由器(中心節(jié)點(diǎn))，由路由器按路由綁定表中的路由轉(zhuǎn)發(fā)至下一出口，直到將數(shù)據(jù)發(fā)送到管理機(jī)模塊，如果路由綁定表中不存在目標(biāo)路線，則發(fā)起路由搜索，并將路由存入路由器路由綁定表中，然后將數(shù)據(jù)按相應(yīng)路由發(fā)送。

圖6   路由過程圖

    3.4 數(shù)據(jù)的傳輸機(jī)制

    傳輸數(shù)據(jù)到終端設(shè)備和從終端設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的機(jī)制隨網(wǎng)絡(luò)類型的不同而有所不同。在無信標(biāo)的星型網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)無線終端設(shè)備想要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，它只需等待信道變?yōu)榭臻e。在檢測到空閑信道條件時(shí)，它將幀發(fā)送到協(xié)調(diào)器，如果發(fā)生超時(shí)則重發(fā)。收到回復(fù)后，它會(huì)將數(shù)據(jù)幀保存在其發(fā)送緩沖器中，直到目標(biāo)終端設(shè)備明確地來查詢該數(shù)據(jù)為止，在確定對方收到此消息后，清空緩沖區(qū)，這樣確保數(shù)據(jù)正確發(fā)送，不會(huì)產(chǎn)生消息丟失的情況，并且抗干擾性能好。信息傳輸過程中需要確保無線終端設(shè)備的接收器是開啟的，而且可從協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)。在點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須一直保持它們的接收器為開啟狀態(tài)或者同意在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)開啟它們的接收器。這將允許節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀并確保數(shù)據(jù)幀會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)接收。終端設(shè)備必須查詢協(xié)調(diào)器以獲取其數(shù)據(jù)，而不是保持接收器開啟，從而降低無線終端設(shè)備的功耗。根據(jù)系統(tǒng)要求以及實(shí)用經(jīng)濟(jì)性，在絕大部分時(shí)間內(nèi)無線終端設(shè)備都處于休眠狀態(tài)，而僅定期喚醒設(shè)備來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，當(dāng)然也具有遠(yuǎn)程無線喚醒的功能。（此方法的一個(gè)缺點(diǎn)是協(xié)調(diào)器必須將所有數(shù)據(jù)幀保存在內(nèi)部緩沖器中，直到目標(biāo)終端設(shè)備喚醒并查詢數(shù)據(jù)。如果網(wǎng)絡(luò)包含很多休眠時(shí)間很長的終端設(shè)備，協(xié)調(diào)器就必須將數(shù)據(jù)幀保存很長時(shí)間。根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)量和交換數(shù)據(jù)幀的速率，將大幅增加協(xié)調(diào)器對RAM 的要求。）在有信標(biāo)的星型網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備可以只在信標(biāo)被廣播時(shí)醒來，并幀聽地址，如果沒有偵聽到自己的地址，則由專入休眠狀態(tài)。數(shù)據(jù)傳輸過程如圖7所示。

圖7   MAC層數(shù)據(jù)傳輸過程

    在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，無線終端設(shè)備模塊與本地網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（中心節(jié)點(diǎn)）構(gòu)成無信標(biāo)的星型網(wǎng)絡(luò)。無線終端節(jié)點(diǎn)在大部分的時(shí)候保持休眠狀態(tài)，只在有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收時(shí)喚醒，或者當(dāng)遠(yuǎn)程呼叫時(shí)喚醒。在收到確認(rèn)信息后再次進(jìn)入休眠狀態(tài)，確保無線終端設(shè)備保持較低的功耗水平。與此同時(shí)，所有的FFD節(jié)點(diǎn)必須處于開啟狀態(tài)，以備接收來自其它器件的消息以及確保本節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)接收，并且FFD節(jié)點(diǎn)需要較多的RAM來存儲(chǔ)各種信息。

4 結(jié)論

    基于Zigbee的鐵路貨場無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)克服了以往的貨場管理中的低效率、高成本和低自動(dòng)化的不足，提高了貨場的管理效率，節(jié)省了大量的人力、物力，實(shí)現(xiàn)了貨物信息的實(shí)時(shí)收集，貨物狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

其他作者：

    莊圣賢：西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院教授，博導(dǎo)。

    吳紅欣：西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)應(yīng)用專業(yè)碩士研究生。

參考文獻(xiàn)：

    [1] IEEE Std 802.15.4 2003[OL].http://www.zigbee.org.

    [2] ZigBee Specification 2005[OL].http://www.zigbee.org.

    [3] 蔣挺,趙成.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

    [4] 李文仲,段朝玉等編著. ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn). 北京航空航天大學(xué)出版社.