ZigBee組網概述
組建一個完整的zigbee網狀網絡包括兩個步驟:網絡初始化、節點加入網絡。其中節點加入網絡又包括兩個步驟:通過與協調器連接入網和通過已有父節點入網。
ZigBee網絡初始化預備
Zigbee網絡的建立是由網絡協調器發起的,任何一個zigbee節點要組建一個網絡必須要滿足以下兩點要求:
(1)節點是FFD節點,具備zigbee協調器的能力;
?。?)節點還沒有與其他網絡連接,當節點已經與其他網絡連接時,此節點只能作為該網絡的子節點,因為一個zigbee網絡中有且只有一個網絡協調器。
FFD:Full FuncTIon Device 全功能節點
RFD:Reduced FuncTIonDevice 半功能節點
ZigBee網絡初始化流程
1、確定網絡協調器
首先判斷節點是否是FFD節點,接著判斷此FFD節點是否在其他網絡里或者網絡里是否已經存在協調器。通過主動掃描,發送一個信標請求命令(Beaconrequest command),然后設置一個掃描期限(T_scan_duraTIon),如果在掃描期限內都沒有檢測到信標,那么就認為FFD在其pos內沒有協調器,那么此時就可以建立自己的zigbee網絡,并且作為這個網絡的協調器不斷地產生信標并廣播出去。
注意:一個網絡里,有且只能有一個協調器(coordinator)。
2、進行信道掃描過程
包括能量掃描和主動掃描兩個過程:首先對指定的信道或者默認的信道進行能量檢測,以避免可能的干擾。以遞增的方式對所測量的能量值進行信道排序,拋棄那么些能量值超出了可允許能量水平的信道,選擇可允許能量水平的信道并標注這些信道是可用信道。接著進行主動掃描,搜索節點通信半徑內的網絡信息。這些信息以信標幀的形式在網絡中廣播,節點通過主動信道掃描方式獲得這些信標幀,然后根據這些信息,找到一個最好的、相對安靜的信道,通過記錄的結果,選擇一個信道,該信道應存在最少的zigbee網絡,最好是沒有zigbee設備。在主動掃描期間,MAC層將丟棄PHY層數據服務接收到的除信標以外的所有幀。
3、設置網絡ID
找到合適的信道后,協調器將為網絡選定一個網絡標識符(PAN ID,取值《=0x3FFF),這個ID在所使用的信道中必須是唯一的,也不能和其他zigbee網絡沖突,而且不能為廣播地址0xFFFF(此地址為保留地址,不能使用)。PAN ID可以通過偵聽其他網絡的ID然后選擇一個不會沖突的ID的方式來獲取,也可以人為的指定掃描的信道后,來確定不和其他網絡沖突的PAN ID。
在zigbee網絡中有兩種地址模式:擴展地址(64位)和短地址(16位),其中擴展地址由IEEE組織分配,用于唯一的設備標識;短地址用于本地網絡中設備標識,在一個網絡中,每個設備的短地址必須唯一,當節點加入網絡時由其父節點分配并通過使用短地址來通信。對于協調器來說,短地址通常設定為0x0000。
上面步驟完成后,就成功初始化了zigbee網狀網絡,之后就等待其他節點的加入。節點入網時將選擇范圍內信號最強的父節點(包括協調器)加入網絡,成功后將得到一個網絡短地址并通過這個地址進行數據的發送和接收,網絡拓撲關系和地址就會保存在各自的flash中。
zigbee技術特點
主要有以下幾點:低功耗、低速率、延遲短、近距離、容量大、低成本。
1.低功耗:在低功耗待機狀態下,兩節5號干電池可以使用6至24個月,從而消除了充電或頻繁更換電池的麻煩。
2.低速率:Zigbee以20至250kbit/s的較低速率工作,滿足低速率數據傳輸的要求。
3.延遲短:Zigbee的響應速度快,從睡眠狀態切換到工作狀態通常僅需要15ms,節點訪問網絡僅需要30ms,從而進一步節省了能源。
4.近距離:有效覆蓋范圍為10?100m,基本可以覆蓋普通的家庭或辦公環境。
5.容量大:Zigbee可以采用星狀,片狀和網狀的網絡結構,最多可以形成65,000個節點的大型網絡
ZigBee技術缺點
1、成本:目前ZIGBEE芯片出貨量比較大的TI公司,芯片其成本均在2~3美金左右,再考慮到其他外圍器件和相關2.4G射頻器件,成本難以低于10美金,針對智能家居這種成本敏感而有需要大量節點的家用設備,其成本頗為尷尬。
2、通信穩定性:目前國內Zigbee技術主要采用ISM頻段中的2.5G頻率,其衍射能力弱,穿墻能力弱。家居環境中,即使是一扇門,一扇窗,一堵非承重墻,也會讓信號大打折扣。當然,有些廠家會使用射頻功放,對2.5G信號進行放大,但是這樣會造成額外的輻射污染,同時也和ZIGBEE低功耗,節能的初衷背道而馳。
3、自組網能力:Zigbee技術的主要特點是支持自組網能力強,自恢復能力強,因此,對于井下定位,停車場車位定位,室外溫濕度采集,污染采集等應用非常具有吸引力。然而,對于智能家居的應用場景中,開關,插座,窗簾的位置一旦固定,一直不變,自組網的優點也就不復存在,但是自組網所耗費的時間和資源卻依舊高昂。
總結
Zigbee是一種新興的專為低速率無線個域網(LR-WPAN)而設計的低成本、低功耗的短距離無線通信協議,能夠廣泛的應用于軍事、工業、智能家居等領域。但由于Zigbee技術出現較晚,其規范及應用仍在不斷的完善和發展之中。