基于ZigBee技術(shù)的星形網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)

功能通用Zigbee收發(fā)器LT2510收發(fā)器輸出功率在CE市場輻射10 mW 100 mW接收器靈敏度-96 dBm * -98 dBm速率）點(diǎn)對點(diǎn)范圍（10 dBm衰落余量.5英里1.5英里（125 mW模塊2.5英里）覆蓋1.5英里距離的節(jié)點(diǎn)數(shù)量2終點(diǎn)+ 2-路由器2-只是終點(diǎn)尋址復(fù)合體（網(wǎng)絡(luò)和IEEE）簡單（僅限MAC）1.5英里傳輸?shù)难舆t（帶請求，無重試）100毫秒（假設(shè)每跳10毫秒）6.5毫秒吞吐量《8 kbps兩跳》 115.2 kbps *基于平均收發(fā)器的數(shù)字，不是特定的收發(fā)器

ZigBee具有一些強(qiáng)大的功能，使其成為M2M通信的強(qiáng)大協(xié)議，但這并不意味著它已經(jīng)過優(yōu)化對于所有網(wǎng)絡(luò)，星際網(wǎng)絡(luò)可以從中受益實(shí)施，更有效的解決方案。

在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)時(shí)考慮實(shí)際數(shù)據(jù)流非常重要。盡管在M2M應(yīng)用中具有眾多優(yōu)勢，但ZigBee可能并不總是最佳選擇。

ZigBee?等多跳網(wǎng)狀協(xié)議因其將低數(shù)據(jù)速率，機(jī)器連接到一起的能力而受到很多關(guān)注。 - 機(jī)器（M2M）應(yīng)用。特別是ZigBee將自己定位為無線低功耗網(wǎng)狀協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)承載。 ZigBee解決方案的許多功能都涉及擴(kuò)展無線M2M市場的要求。低數(shù)據(jù)速率，低功耗，通過網(wǎng)格增強(qiáng)的范圍，以及分組數(shù)據(jù)的自動(dòng)按需路由是ZigBee的關(guān)鍵方面，它們在M2M市場空間中創(chuàng)造了這樣的嗡嗡聲。

對星形網(wǎng)絡(luò)的要求

在實(shí)現(xiàn)ZigBee類型的網(wǎng)格時(shí)，考慮通過網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際數(shù)據(jù)流是很重要的。雖然所有節(jié)點(diǎn)都可以相互通信，但實(shí)際上，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)都是指向多點(diǎn)（或多點(diǎn)到點(diǎn)，具體取決于您的視角），并形成星形拓?fù)?。?shù)據(jù)從中央服務(wù)器流向收集數(shù)據(jù)或提供某種操作的特定端點(diǎn)。來自終點(diǎn)的數(shù)據(jù)也能夠回流到中心點(diǎn)。這是大多數(shù)無線傳感器和控制應(yīng)用的基本網(wǎng)絡(luò)流程，包括樓宇自動(dòng)化，遠(yuǎn)程醫(yī)療，智能能源和零售。對于星型網(wǎng)絡(luò)，多跳網(wǎng)格不是必需的，而是確保所有節(jié)點(diǎn)連接的功能。

實(shí)際上，在星型網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)所需的開銷量可能會(huì)受到限制。最佳解決方案。圖1顯示了一個(gè)具有多個(gè)端節(jié)點(diǎn)的星型網(wǎng)絡(luò)示例，它們都與單個(gè)中央服務(wù)器進(jìn)行通信。

圖1：星型網(wǎng)絡(luò)。

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ZigBee具有雙層尋址方案，在節(jié)點(diǎn)上硬編碼的低層IEEE地址和用于傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)分配的網(wǎng)絡(luò)地址。只有網(wǎng)絡(luò)地址用于路由數(shù)據(jù)，因此最終用戶必須在IEEE地址和網(wǎng)絡(luò)地址之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能正確地尋址數(shù)據(jù)包。這類似于ARP在傳統(tǒng)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)行方式。這種雙層尋址對于路由網(wǎng)絡(luò)是常見的，并且提供了來自硬件（IEEE）層的抽象層。對于星型網(wǎng)絡(luò)，它僅用于為簡單的連接問題提供另一層復(fù)雜性，如圖2所示。

圖2：通過多跳網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)的星型網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee網(wǎng)格基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的基礎(chǔ)RF協(xié)議。 IEEE 802.15.4是一種直接序列擴(kuò)頻（DSSS）調(diào)制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)用于868 MHz，900 MHz和2.4 GHz ISM頻段。實(shí)際上，大多數(shù)收發(fā)器工作在2.4 GHz，因?yàn)樗峁┝巳蚪邮芏群透叩?50 kbps RF數(shù)據(jù)速率。在包括歐洲在內(nèi)的世界許多地方，2.4 GHz DSSS收發(fā)器的輻射輸出功率限制為10 mW。將此與藍(lán)牙?和專有射頻跳頻系統(tǒng)相比較，根據(jù)CE規(guī)定可以輻射高達(dá)100 mW - 輸出功率的十倍。此限制降低了模塊的總功耗，但也限制了模塊的范圍。 ZigBee通過多跳網(wǎng)狀路由解決了這個(gè)范圍問題。

添加路由器以提供連接性有缺點(diǎn)。首先，它增加了系統(tǒng)的總成本，因?yàn)樾枰嗟氖瞻l(fā)器。其次，當(dāng)每個(gè)分組通過附加節(jié)點(diǎn)路由時(shí)，系統(tǒng)的總延遲增加，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)僅具有單個(gè)收發(fā)器并且不能同時(shí)發(fā)送和接收。如果在傳輸數(shù)據(jù)分組之前需要執(zhí)行路由請求，則可以進(jìn)一步增加等待時(shí)間。數(shù)據(jù)流量的復(fù)雜性如圖3所示。

圖3：ZigBee數(shù)據(jù)包傳送。

在圖3中，如果假設(shè)十次傳輸中的每一次傳輸至少需要10 ms（其中不會(huì)考慮重新傳輸任何數(shù)據(jù)的需要），然后用戶需要超過100毫秒才能收到他們的確認(rèn)。

ZigBee Pro?是ZigBee規(guī)范的第三個(gè)主要版本，通過實(shí)現(xiàn)源代碼來解決這個(gè)問題。路由。源路由可以減少所需的路由請求量，但通過在數(shù)據(jù)包中包含每個(gè)躍點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，為通過空中發(fā)送的數(shù)據(jù)包增加額外的開銷。高延遲會(huì)限制ZigBee網(wǎng)絡(luò)有效地將數(shù)據(jù)從一個(gè)點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)點(diǎn)的能力。如果ZigBee節(jié)點(diǎn)每次數(shù)據(jù)包傳輸只能傳輸100個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，而不是每100毫秒傳輸100個(gè)字節(jié)，則實(shí)際數(shù)據(jù)速率僅為8 kbps - 低于許多應(yīng)用程序用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)?600波特率。它遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于許多應(yīng)用程序所需的115，200 bps。由于這些限制，所有數(shù)據(jù)必須作為離散數(shù)據(jù)包進(jìn)行管理，并且不經(jīng)常發(fā)送。最后，如果需要額外的路由器來提供連接，最終用戶負(fù)責(zé)提供支持中間路由器的基礎(chǔ)設(shè)施。額外的節(jié)點(diǎn)不僅帶來額外的成本，它們還必須位于電源附近，并且必須位于提供最佳覆蓋范圍。

Laird Technologies解決方案

覆蓋問題通常可以通過替代低功率中間路由器來解決在鏈路的每一端都有更高功率的發(fā)射機(jī)。從10 mW到100 mW將在鏈路預(yù)算中提供10 dBm的增益 - 大約是范圍增加的2.5倍。此外，對于非CE市場，例如北美，可提供高達(dá)1 W的更高輸出功率以提供額外的覆蓋。一旦擺脫了ZigBee功率和數(shù)據(jù)速率限制的限制，最終用戶就可以從M2M應(yīng)用的大量標(biāo)準(zhǔn)和專有解決方案中進(jìn)行選擇。

Laird Technologies的LT2510系列跳頻串行到無線模塊就是一個(gè)例子。 LT2510系列專為工業(yè)M2M應(yīng)用而設(shè)計(jì)，采用小巧，經(jīng)濟(jì)高效的外形，提供同類最佳的產(chǎn)品系列和吞吐量。 LT2510系列具有智能服務(wù)器/客戶端架構(gòu)，是點(diǎn)對點(diǎn)和星型網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。這些設(shè)備的智能抽象了復(fù)雜的基礎(chǔ)RF協(xié)議，其更高的輸出功率消除了多個(gè)設(shè)備提供遠(yuǎn)距離連接的需要。 LT2510系列允許無限數(shù)量的客戶端自動(dòng)同步到單個(gè)服務(wù)器，即星形系統(tǒng)的中心點(diǎn)。然后向最終用戶呈現(xiàn)從其主機(jī)設(shè)備到連接到中央服務(wù)器的主機(jī)的直接串行鏈路。 LT2510系列的射程可達(dá)2.5英里，可為星形網(wǎng)絡(luò)提供大范圍的覆蓋區(qū)域。圖4顯示了通過類似LT2510系統(tǒng)發(fā)送的相同用戶數(shù)據(jù)。

圖4：LT2510數(shù)據(jù)包傳輸。

由于LT2510系列模塊具有更高的輸出功率，因此整個(gè)鏈路可以是僅使用兩個(gè)主要節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。不需要中間路由器或路由協(xié)議。數(shù)據(jù)從源流到目的地，并且可以在短至6.5毫秒內(nèi)接收確認(rèn)（假設(shè)沒有重試）。

對于大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)而言，小于30毫秒的確認(rèn)是典型的。通過最佳配置，可以實(shí)現(xiàn)115，200 bps的線路速率，以允許通過無線鏈路傳輸數(shù)據(jù)。

雖然LT2510系列模塊為串行到無線網(wǎng)絡(luò)提供了非常簡單，完全認(rèn)證的實(shí)現(xiàn)，但它們還提供了許多OEM主機(jī)可用于優(yōu)化性能的高級(jí)功能。這些功能包括降低的空閑電流消耗小于10 mA，50μA睡眠狀態(tài)，能夠在26 ms內(nèi)喚醒和發(fā)送，以及高級(jí)API功能，可使用API標(biāo)頭快速重定向傳輸數(shù)據(jù)。此外，LT2510系列具有RF模式，允許500 kbps RF數(shù)據(jù)速率，是802.15.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)速率的兩倍。易于使用，快速上市和全球認(rèn)證的結(jié)合使OEM能夠快速，經(jīng)濟(jì)地將LT2510模塊集成到星形網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中。