基于ZigBee技术的温度采集系统设计(3)

基于Zigbee技术的温度采集系统设计

特别适合楼宇自动化、成套照明、通风及自动调温系统，降低工业控制和传感器应用的安装和维护成本。 2.1.3 Zigbee的主要特性

1. 自动组网,网络容量大。Zigbee网络可容纳多达65000个节点，网络中的任意节点之间都可进行数据通讯。网络有星状、片状和网状网络结构。在有模块加入和撤出时，网络具有自动修复功能。

2. 网络时延短。Zigbee的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15ms,节点连接进入网络只需30ms,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要3～10s、WiFi需要3s。

3. 模块功耗低,通讯速率低。模块最有较小的发送接收电流,支持多种睡眠模式,一个10AH的电池,在Zigbee水表中可使用8年.Zigbee通讯速度最高可达250Kbps,适合用于设备间的数据通讯，不太适合用于声音、图像的传送。

4. 传输距离可扩展。举例DIGI的XBEE增强型模块，相邻模块通讯距离可达1.6Km,有效距离范围内的模块自动组网,网络中的各节点可自由通讯,这样传输距离得到了扩展.

5. 成本低。Zigbee模块工作于2.4G全球免费频段,故只需要先期的模块费用,无需支付持续使用费用.若采用丰宝代理的DIGI公司的Zigbee模块,则可无需再次开发,通过TTL的RX,TX便可进行数据发送接收,大量减少了产品开发周期,获得了更好的市场先机.

6. 可靠性好,安全性高。Zigbee具有可靠的发送接收握手机制,可靠地保证了数据的发送接收,另Zigbee采用AES128位密钥,保证数据发送的安全性。

2.2 Zigbee协议栈结构

1、物理层

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物理层由半双工的无线收发器及其接口组成，主要作用是激活和关闭射频收发器；检测信道的能量；显示收到数据包的链路质量；空闲信道评估；选择信道频率；数据的接受和发送。

2、媒体访问控制层

媒体访问控制（MAC）层建立了一条节点和与其相邻的节点之间可靠的数据传输链路，共享传输媒体，提高通信效率。在协调器的MAC层，可以产生网络信标，同步网络信标；支持Zigbee设备的关联和取消关联；支持设备加密；在信道访问方面，采用CSMA/CA信道退避算法，减少了碰撞概率；确保时隙分配（GTS）；支持信标使能和非信标使能两种数据传输模式，为两个对等的MAC实体提供可靠连接。

3、网络层

基于底层的可靠通信，提供路由、路由发现、多跳、转发的功能。Zigbee网络可以组成星型、簇树型或MESH型网络。对于终端节点而言，网络层的功能只是加入和离开网络；对于路由器而言，网络层的功能是信息的转发，路由发现，建立和维护路由表和邻居表，以及构造到某节点的路由任务；而协调器网络层的任务主要包括启动和维护网络正常工作，为新加入的节点分配网络地址。

4、应用层

应用层包括三部分：应用支持子层（APS）、Zigbee设备对象（ZDO）和应用框架（AF）应用支持子层的任务是提取网络层的信息并将信息发送到运行在节点上的不同应用端点。Zigbee设备对象负责设备的所有管理工作，包括设定该设备在网络中的角色（协调器、路由器或终端设备），发现网络中的设备，确定这些设备能提供的功能，发起或响应绑定请求，完成设备之间建立安全的关联等。AF应用框架是应用层与APS层的接口。它负责发送和接收数据，并为接收到的数据寻找相应的目的端点。

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2.3 ZigBee的网络拓扑结构

ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和网状网，可以根据实际项目需要来选择合适的网络结构。 2.3.1 星形拓扑结构

星形拓扑是最简单的一种拓扑形式，他包含一个Co-ordinator（协调者）节点和一系列的End Device（终端）节点。每一个End Device节点只能和Co-ordinator 节点进行通讯。可以从图2.1发现，如果需要在两个End Device节点之间进行通讯必须通过Co-ordinator节点进行信息的转发。

这种拓扑形式的缺点是节点之间的数据路由只有唯一的一个路径。Co-ordinator（协调者）有可能成为整个网络的瓶颈。实现星形网络拓扑不需要使用ZigBee的网络层协议，但是这需要开发者在应用层作更多的工作，包括自己处理信息的转发。

图2.1 形状拓扑结构

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2.3.2 树形拓扑结构

树形拓扑包括一个Co-ordinator（协调者）以及一系列的Router（路由器）和End Device（终端）节点。Co-ordinator连接一系列的Router和End Device,他的子节点的Router也可以连接一系列的Router和End Device.这样可以重复多个层级。树形拓扑的结构如图2.2所示。

图2.2 树状拓扑结构

树形拓扑中的通讯规则：每一个节点都只能和他的父节点和子节点之间通讯。如果需要从一个节点向另一个节点发送数据，那么信息将沿着树的路径向上传递到最近的祖先节点然后再向下传递到目标节点。这种拓扑方式的缺点就是信息只有唯一的路由通道。另外信息的路由是由协议栈层处理的，整个的路由过程对于应用层是完全透明的。 2.3.3 Mesh拓扑结构

Mesh拓扑(网状拓扑)包含一个Co-ordinator和一系列的Router和End Device。这种网络拓扑形式和树形拓扑相同；可以参考上面所提到的树形网络拓扑。但是，网状网络拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由节点之间可以直接的通讯。这种路由机制使得信息的通讯变得更有效率，而且意味这一旦一

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个路由路径出现了问题，信息可以自动的沿着其他的路由路径进行传输。 网状拓扑的示意图如图2.3所示。

图2.3 网状拓扑结构

通常在支持网状网络的实现上，网络层会提供相应的路由探索功能，这一特性使得网络层可以找到信息传输的最优化的路径。需要注意的是，以上所提到的特性都是由网络层来实现，应用层不需要进行任何的参与。MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过―多级跳‖的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能。

2.4 IEEE 802.15.4 规范

作为低速无线个域网（LR—WPAN）技术，Zigbee协议栈的物理、MAC层即是IEEE802.15.4协议。它是具有低复杂度、应用成本小、设备功耗低等优势，能在低成本设备之间进行低速率信息传输规范。表2.1是IEEE802.15.4的主要协议框架。

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