ZigBee组网概述
组建一个完整的zigbee网状网络包括两个步骤:网络初始化、节点加入网络。其中节点加入网络又包括两个步骤:通过与协调器连接入网和通过已有父节点入网。
ZigBee网络初始化预备
Zigbee网络的建立是由网络协调器发起的,任何一个zigbee节点要组建一个网络必须要满足以下两点要求:
(1)节点是FFD节点,具备zigbee协调器的能力;
(2)节点还没有与其他网络连接,当节点已经与其他网络连接时,此节点只能作为该网络的子节点,因为一个zigbee网络中有且只有一个网络协调器。
FFD:Full FuncTIon Device 全功能节点
RFD:Reduced FuncTIonDevice 半功能节点
ZigBee网络初始化流程
1、确定网络协调器
首先判断节点是否是FFD节点,接着判断此FFD节点是否在其他网络里或者网络里是否已经存在协调器。通过主动扫描,发送一个信标请求命令(Beaconrequest command),然后设置一个扫描期限(T_scan_duraTIon),如果在扫描期限内都没有检测到信标,那么就认为FFD在其pos内没有协调器,那么此时就可以建立自己的zigbee网络,并且作为这个网络的协调器不断地产生信标并广播出去。
注意:一个网络里,有且只能有一个协调器(coordinator)。
2、进行信道扫描过程
包括能量扫描和主动扫描两个过程:首先对指定的信道或者默认的信道进行能量检测,以避免可能的干扰。以递增的方式对所测量的能量值进行信道排序,抛弃那么些能量值超出了可允许能量水平的信道,选择可允许能量水平的信道并标注这些信道是可用信道。接着进行主动扫描,搜索节点通信半径内的网络信息。这些信息以信标帧的形式在网络中广播,节点通过主动信道扫描方式获得这些信标帧,然后根据这些信息,找到一个最好的、相对安静的信道,通过记录的结果,选择一个信道,该信道应存在最少的zigbee网络,最好是没有zigbee设备。在主动扫描期间,MAC层将丢弃PHY层数据服务接收到的除信标以外的所有帧。
3、设置网络ID
找到合适的信道后,协调器将为网络选定一个网络标识符(PAN ID,取值《=0x3FFF),这个ID在所使用的信道中必须是唯一的,也不能和其他zigbee网络冲突,而且不能为广播地址0xFFFF(此地址为保留地址,不能使用)。PAN ID可以通过侦听其他网络的ID然后选择一个不会冲突的ID的方式来获取,也可以人为的指定扫描的信道后,来确定不和其他网络冲突的PAN ID。
在zigbee网络中有两种地址模式:扩展地址(64位)和短地址(16位),其中扩展地址由IEEE组织分配,用于唯一的设备标识;短地址用于本地网络中设备标识,在一个网络中,每个设备的短地址必须唯一,当节点加入网络时由其父节点分配并通过使用短地址来通信。对于协调器来说,短地址通常设定为0x0000。
上面步骤完成后,就成功初始化了zigbee网状网络,之后就等待其他节点的加入。节点入网时将选择范围内信号最强的父节点(包括协调器)加入网络,成功后将得到一个网络短地址并通过这个地址进行数据的发送和接收,网络拓扑关系和地址就会保存在各自的flash中。
zigbee技术特点
主要有以下几点:低功耗、低速率、延迟短、近距离、容量大、低成本。
1.低功耗:在低功耗待机状态下,两节5号干电池可以使用6至24个月,从而消除了充电或频繁更换电池的麻烦。
2.低速率:Zigbee以20至250kbit/s的较低速率工作,满足低速率数据传输的要求。
3.延迟短:Zigbee的响应速度快,从睡眠状态切换到工作状态通常仅需要15ms,节点访问网络仅需要30ms,从而进一步节省了能源。
4.近距离:有效覆盖范围为10〜100m,基本可以覆盖普通的家庭或办公环境。
5.容量大:Zigbee可以采用星状,片状和网状的网络结构,最多可以形成65,000个节点的大型网络
ZigBee技术缺点
1、成本:目前ZIGBEE芯片出货量比较大的TI公司,芯片其成本均在2~3美金左右,再考虑到其他外围器件和相关2.4G射频器件,成本难以低于10美金,针对智能家居这种成本敏感而有需要大量节点的家用设备,其成本颇为尴尬。
2、通信稳定性:目前国内Zigbee技术主要采用ISM频段中的2.5G频率,其衍射能力弱,穿墙能力弱。家居环境中,即使是一扇门,一扇窗,一堵非承重墙,也会让信号大打折扣。当然,有些厂家会使用射频功放,对2.5G信号进行放大,但是这样会造成额外的辐射污染,同时也和ZIGBEE低功耗,节能的初衷背道而驰。
3、自组网能力:Zigbee技术的主要特点是支持自组网能力强,自恢复能力强,因此,对于井下定位,停车场车位定位,室外温湿度采集,污染采集等应用非常具有吸引力。然而,对于智能家居的应用场景中,开关,插座,窗帘的位置一旦固定,一直不变,自组网的优点也就不复存在,但是自组网所耗费的时间和资源却依旧高昂。
总结
Zigbee是一种新兴的专为低速率无线个域网(LR-WPAN)而设计的低成本、低功耗的短距离无线通信协议,能够广泛的应用于军事、工业、智能家居等领域。但由于Zigbee技术出现较晚,其规范及应用仍在不断的完善和发展之中。