ZigBee数据传输网络的应用与优势

ZigBee是一种高可靠的无线传输网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数据传输模块类似于移动网络基站。通信距离从标准的75m到几百米、几千米，并且支持网络扩展。ZigBee是一个由可多到65000个无线数据传输模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数据传输模块之间可以相互通信。

简单的点到点、点到多点通信，包装结构比较简单，主要为同步序言，数据，CRC（校验）几部分组成。ZigBee是采用数据帧的概念，每个无线帧包括了大量无线包装，包含了大量时间、地址、命令和同步等信息，真正的数据信息只占很少部分，而这正是ZigBee可以实现网络组织管理，实现高可靠传输的关键。同时，ZigBee采用了MAC技术和DSSS（直扩序列调制）技术，能够实现高可靠、大规模网络传输。

ZigBee定义了两种物理设备类型：全功能设备（Full Function Device，FFD）和精简功能设备（Reduced Function Device，RFD）。一般来说，FFD支持任何拓扑结构，可以充当网络协调器（Network Coordinator），能和任何设备通信；RFD通常只用于星形网络拓扑结构中，不能完成网络协调器功能，且只能与FFD通信，两个RFD之间不能通信；但它们的内部电路比FFD少，只有很少或没有消耗能量的内存，因此实现相对简单，也更利于节能。

在交换数据的网络中，有3种典型的设备类型：协调器、路由器和终端设备。一个Zig-Bee由一个协调器节点、若干个路由器和一些终端设备节点构成。设备类型并不会限制运行在特定设备上的应用类型。

协调器用于初始化一个ZigBee网络，它是网络中的第一个设备。协调器节点选择一个信道和一个网络标志符（也叫PAN ID），然后启动一个网络。协调器节点也可以用来在网络中设定安全措施和应用层绑定。协调器的角色主要是启动并设置一个网络，一旦这一工作完成，协调器便以一个路由器节点的角色运行（甚至去做其他事情）。由于ZigBee网络的分布式的特点，网络的后续运行不需要依赖协调器的存在。

路由器的功能有：允许其他设备加入到网络中，多跳路由，协助用电池供电的终端子设备的通信。通常，路由器一直要处于工作状态，因此需要使用干线电源供电。路由器需要存储那些去往子设备的信息，直到其子节点醒来并请求数据。当一个子设备要发送一个信息，子设备需要将数据发送给它的父路由节点。这时，路由器就要负责发送数据，执行任何相关的重发，如果有必要还要等待确认。这样，自由节点就可以继续回到睡眠状态。有必要认识到的是，路由器是允许成为网络流量的发送方或者是接收方。由于这种要求，路由器必须不断准备来转发数据，它们通常要用干线供电，而不是使用电池。如有某一工程不需要电池来给设备供电，那么可以将所有的终端设备作为路由器来使用。

一个终端设备并没有为维持网络的基础结构的特定责任，所以它可以自己选择是休眠还是激活。终端设备仅在向它们的父节点收或者发送数据时才会激活。因此，终端设备可以用电池供电来运行很长一段时间。

图4-2 ZigBee网络示意图

图4-2展示了一个示例网络，它具有ZigBee协调器（黑色）、路由器（灰色）和终端节点（白色）。

与移动通信的CDMA网络或GSM网络不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单、使用方便、工作可靠、价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不成单网络的孤立子节点（RFD）无线连接。ZigBee模块如图4-3所示。

网状网通信实际上就是多通道通信，在实际工业现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为车祸、道路维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于我们有多个通道，车辆（相当于我们的控制数据）仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制而言则非常重要。

所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。在网络管理软件中，路径的选择使用的是“梯度法”，即先选择路径最近的一条通道进行传输，如传不通，再使用另外一条稍远一点的通路进行传输，以此类推，直到数据送达目的地为止。在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生变化，或者因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状拓扑结构，就可以很好解决这个问题，从而保证数据的可靠传输。(www.xing528.com)

ZigBee网络层支持3种网络拓扑结构：星形结构（Star）、树形结构（Cluster Tree）和网状结构（Mesh）。其中树形结构和网状结构都是属于点对点的拓扑结构，它们是点对点拓扑结构的复杂化形式。3种结构如图4-4所示。

图4-3 ZigBee模块

图4-4 ZigBee的组网形式

ZigBee技术主要有3种频率范围，如图4-5所示，分别为：

1）868MHz传输速率为20kbit/s适用于欧洲。

图4-5 ZigBee传输频带和信道

2）915MHz传输速率为40kbit/s适用于美国。

3）2.4GHz传输速率为250kbit/s全世界通用。

由于此3个频带物理层并不相同，其各自信道带宽也不同，分别为0.6MHz、2MHz和5MHz分别有1个、10个和16个信道。