ZigBee网络基础

原文链接：https://blog.csdn.net/chinsanyl/article/details/104857952

目录

1      简介

2      网络结构

3      优势

4      网络拓扑结构

4.1       网络角色

4.2       网络结构

ZigBee技术是一种应用于短距离和低速率下的无线通信技术，ZigBee过去又称为“HomeRF Lite”和“FireFly”技术, 统一称为ZigBee技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。更具网络的特点和结构，ZigBee 网络被广泛应用于家庭自动化、家庭安全、工业现场控制、环境控制、医疗护理、交通运输等各个领域。

完整的ZigBee 协议栈自上而下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。以下为各层在ZigBee结构中的作用：

物理层：作为ZigBee协议结构的最低层，提供了最基础的服务，为上一层MAC层提供了服务，如数据的接口等等。同时也起到了与现实 (物理) 世界交互的作用；

MAC层：负责不同设备之间无线数据链路的建立，维护，结束，确认的数据传送和接收；

网络/安全层：保证了数据的传输和完整性，同时可对数据进行加密；

应用/支持层：根据设计目的和需求使多个器件之间进行通信；

其中，ZigBee协议架构最具特色的两项是：功耗以及自组网。

ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：

(1) 低功耗: 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。

(2) 成本低： ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

(3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

(4) 网络容量大：一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备， 一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络, 而且网络组成灵活。

(5) 可靠: 采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

(6) 安全： ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证， 采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。

1）协调器（英文名：ZigBee Coordinate ，通常简写为：ZC）。协调器在ZigBee 网络中，有且只能有一个协调器，它在网络中起了网络搭建和网络维护的功能。是整个网络的中心枢纽。是等级最高的父节点。

2）路由器（英文名：ZigBee Router，通常简写为：ZR），路由器在ZigBee 网络中既可以充当父节点，也可以充当子节点，有信息转发和辅助协调器维护网络的功能。

3）终端（英文名：ZigBee End-Device，通常简写为：ZED），终端在ZigBee 网络中，其功能最为简单，只能加入网络，为最末端的子节点设备。只能与其父节点进行通信，如果两个终端之间需要通信，必须经过父节点进行多跳或者单跳通信。是ZigBee 网络中可允许存在的数量最多的节点，也是唯一允许低功耗的网络设备。

1) 星状网络：  ZigBee星状网络在ZigBee 网络中属于一种最为简单的网络拓扑结构。包含一个协调器（中心节点）和若干个路由器和终端（附属节点）组成。该结构如下图所示。该结构网络中，每个附属节点只能与中心节点通信，如果需要两个附属节点之间通信，必须经过中心节点进行数据转发。

2) 树状网络：  ZigBee树状网络包含一个协调器，若干个路由器和终端组成。其网络拓扑结构如下图所示。ZigBee 树状网络可以看做多个星状网络组成，每个树杈分支处（带节点的路由器）可看做组成星状网络的“中心节点”，每个字设备只能与其父节点通信，最高级的父节点为协调器。

在树状网络中，协调器将整个网络搭建起来，路由器作为承接点，将网络以树状向外扩散。节点与节点之间通过中间的路由器形成“多跳通信”。与星状网络相比，树状网络在容量以及健壮性上有了大幅度提高。

2) 网状网络： ZigBee网状网络是建立在ZigBee 树状网络结构上，其拓扑结构如下图所示。ZigBee 网状网络中，除了满足ZigBee 树状网络的所有功能之外，其相邻路由器之间也存在通信关系，使得网络的动态分布更为灵活，路由能力更加稳定，可靠。可充分发挥出ZigBee 网络的自组织优势。