ZigBee模塊無線通信組網(wǎng)結(jié)構(gòu)技術(shù)之Mesh拓?fù)渚W(wǎng)狀

Zigbee模塊Mesh組網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒–o-ordinator(zigbee協(xié)調(diào)器)節(jié)點(diǎn)和多個(gè)Router(zigbee模塊無線路由)節(jié)點(diǎn)和Enddevice(zigbee終端)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问脚c樹形拓?fù)湫问酱笾孪嗤?然而，根據(jù)樹形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫且环N拓?fù)湫问?，具有更靈活的無線通信無線路由規(guī)則。如果可能，可以直接通過無線路由節(jié)點(diǎn)。這種無線路由機(jī)制使得節(jié)點(diǎn)間的信息通信變得更加的有效率，而且這也意味當(dāng)無線通信時(shí)一個(gè)無線路由路徑中出現(xiàn)了問題，信息也可以沿著其他的無線路由自動(dòng)通過傳輸。

無論哪種網(wǎng)絡(luò)方式，只要有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，都涉及到無線路由和交換。也就是說，在每一個(gè)聚合節(jié)點(diǎn)中，都需用對(duì)無線通信數(shù)據(jù)信息通過無線路由指向，并交換信息內(nèi)容，這相當(dāng)于一個(gè)路口網(wǎng)關(guān)。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)MESH網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)功能非常強(qiáng)大，zigbee網(wǎng)絡(luò)模塊網(wǎng)絡(luò)可以通過多級(jí)跳躍無線通信;MESH網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可以形成非常復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò);其網(wǎng)絡(luò)還具有自組織和自愈的功能。

星點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、傳輸距離較近的情況下，星型和樹型網(wǎng)絡(luò)更適合應(yīng)用。

Zigbee無線通信模塊是一種基于Zigbee協(xié)議的無線通信模塊，常常被用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采集、傳輸和控制操作。Zigbee無線通信模塊支持低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的無線傳輸，具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，如家庭自動(dòng)化、智能電網(wǎng)、醫(yī)療衛(wèi)生、物流管理等領(lǐng)域。通過與其他Zigbee兼容的設(shè)備互相連接，Zigbee無線通信模塊可以實(shí)現(xiàn)無線傳感器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)收集和控制命令傳遞，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的智能化控制和管理。Zigbee無線通信模塊的特點(diǎn)包括靈活、可靠、安全和低功耗等。不同的Zigbee無線通信模塊具有不同的通信距離、數(shù)據(jù)速率和功耗等，需要根據(jù)實(shí)際需求和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行選擇和配置。

Zigbee無線通信模塊遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，基于低功率的無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的通信。以下是Zigbee無線通信模塊的工作原理：

Zigbee協(xié)議棧：Zigbee無線通信模塊內(nèi)部有一套完整的Zigbee協(xié)議棧，包括物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。物理層負(fù)責(zé)無線信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)，MAC層實(shí)現(xiàn)幀格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，網(wǎng)絡(luò)層處理路由、組網(wǎng)和安全等任務(wù)，應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)更高層次的協(xié)議和應(yīng)用。

節(jié)點(diǎn)類型：Zigbee無線通信模塊支持三種節(jié)點(diǎn)類型，包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)中的根節(jié)點(diǎn)，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理和維護(hù);路由器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和中繼，用于組建多跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);終端設(shè)備是最基本的節(jié)點(diǎn)類型，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。

在經(jīng)典物理學(xué)中，波在穿過狹縫、小孔或圓盤之類的障礙物后會(huì)發(fā)生不同程度的彎散傳播。假設(shè)將一個(gè)障礙物置放在光源和觀察屏之間，則會(huì)有光亮區(qū)域與陰晦區(qū)域出現(xiàn)于觀察屏，而且這些區(qū)域的邊界并不銳利，是一種明暗相間的復(fù)雜圖樣。這現(xiàn)象稱為衍射，當(dāng)波在其傳播路徑上遇到障礙物時(shí)，都有可能發(fā)生這種現(xiàn)象。除此之外，當(dāng)光波穿過折射率不均勻的介質(zhì)時(shí)，或當(dāng)聲波穿過聲阻抗(acoustic impedance)不均勻的介質(zhì)時(shí)，也會(huì)發(fā)生類似的效應(yīng)。在一定條件下，不僅水波、光波能夠產(chǎn)生肉眼可見的衍射現(xiàn)象，其他類型的電磁波(例如X射線和無線電波等)也能夠發(fā)生衍射。由于原子尺度的實(shí)際物體具有類似波的性質(zhì)，它們也會(huì)表現(xiàn)出衍射現(xiàn)象，可以通過量子力學(xué)研究其性質(zhì)。在適當(dāng)情況下，任何波都具有衍射的固有性質(zhì)。然而，不同情況中波發(fā)生衍射的程度有所不同。如果障礙物具有多個(gè)密集分布的孔隙，就會(huì)造成較為復(fù)雜的衍射強(qiáng)度分布圖樣。這是因?yàn)椴ǖ牟煌糠忠圆煌穆窂絺鞑サ接^察者的位置，發(fā)生波疊加而形成的現(xiàn)象。衍射的形式論還可以用來描述有限波(量度為有限尺寸的波)在自由空間的傳播情況。例如，激光束的發(fā)散性質(zhì)、雷達(dá)天線的波束形狀以及超聲波傳感器的視野范圍都可以利用衍射方程來加以分析。

組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：Zigbee無線通信模塊支持多種組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括星型、網(wǎng)狀和混合型。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中所有設(shè)備都直接連接到協(xié)調(diào)器上，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中設(shè)備之間可以通過多個(gè)路由器進(jìn)行通信，混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將兩種結(jié)構(gòu)融合在一起，可以根據(jù)需要來選擇和配置。

數(shù)據(jù)傳輸：在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)傳輸使用簇(cluster)的概念來組織數(shù)據(jù)。每個(gè)簇負(fù)責(zé)一個(gè)特定的功能，并由一個(gè)唯一的簇ID來識(shí)別。數(shù)據(jù)包的格式包括幀頭、MAC幀、網(wǎng)絡(luò)層幀和應(yīng)用層數(shù)據(jù)，各層之間通過幀格式轉(zhuǎn)換進(jìn)行交互。

安全性：Zigbee無線通信模塊支持多層安全機(jī)制，包括加密、身份驗(yàn)證和密鑰管理等。通過使用安全機(jī)制可以保護(hù)通信數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性和可用性，從而保障數(shù)據(jù)的安全性。

綜上所述，Zigbee無線通信模塊的工作原理包括協(xié)議棧、節(jié)點(diǎn)類型、組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸和安全等方面的內(nèi)容，通過這些機(jī)制，Zigbee無線通信模塊實(shí)現(xiàn)了低功耗、可靠和安全的無線通信能力。

Zigbee無線通信模塊主要的應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，具有以下幾個(gè)作用：

數(shù)據(jù)采集：Zigbee無線通信模塊能夠?qū)鞲衅鲾?shù)據(jù)采集并傳輸給指定的設(shè)備或系統(tǒng)，例如溫度、濕度、氣壓、光照等傳感器數(shù)據(jù)。

遠(yuǎn)程控制：通過與其他Zigbee兼容的設(shè)備互相連接，Zigbee無線通信模塊可以實(shí)現(xiàn)無線設(shè)備之間的遠(yuǎn)程控制和管理，如家庭自動(dòng)化、智能電網(wǎng)、醫(yī)療衛(wèi)生、物流管理等領(lǐng)域，可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的智能化控制和管理。

數(shù)據(jù)傳輸：Zigbee無線通信模塊支持低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的無線傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速度適中，可用于中短距離的無線傳輸應(yīng)用。

節(jié)能環(huán)保：Zigbee無線通信模塊采用低功耗的傳輸技術(shù)，具有較長(zhǎng)的電池壽命，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的節(jié)能環(huán)保。

因此，Zigbee無線通信模塊在工業(yè)自動(dòng)化、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、智能交通、健康醫(yī)療等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求

(1)可供選擇的無線頻段。無線頻段的選擇要兼具較高的傳輸速率和較好的繞射性能，同時(shí)要具備一定的抗干擾力。2.4ghz頻段是ieee 502.15.4定義的工作在ism頻段的兩個(gè)工作頻段之一，有16個(gè)速率為250kb/s的信道。

(2)體積小，成本低，易于大規(guī)模布建。zigbee技術(shù)較其它無線技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于自組網(wǎng)，這就需要布建大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因此成本問題凸顯出來，有資料顯示：10$左右的zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有較高的性價(jià)比。

(3)可靠性。與有線傳輸介質(zhì)相比，無線信號(hào)傳輸更容易受到衰落、多徑和干擾等問題，zigbee網(wǎng)絡(luò)是工作在2.4ghz ism頻段，與其他無線信道之間干擾是不可避免的。為保證網(wǎng)絡(luò)在有效范圍內(nèi)建立可靠的傳輸，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)選擇合理的信道接入方式，有效減少幀沖突，使用合理的擴(kuò)頻技術(shù)。

(4)通用性。布建zigbee網(wǎng)絡(luò)的最終目的是通過網(wǎng)絡(luò)完成各類操作，主要是i/o操作和a/d操作，這就要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有一定的通用性，能滿足各類傳感器和終端設(shè)備的操作要求。

(5)低功耗，支持電池供電。低功耗是zigbee的重要特征，支持休眠-喚醒模式和引入功率控制機(jī)制使設(shè)備更加省電。典型的zigbee節(jié)點(diǎn)在使用普通電池供電的情況下工作12個(gè)月以上。

zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)按照上述的原則與規(guī)劃進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。cc2530的zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)pcb設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它同時(shí)具備數(shù)字電路與高頻電路的特點(diǎn)。在元件布局盡量緊湊、美觀;在數(shù)字信號(hào)線走線上做到自然、平滑;高頻部分包括匹配電感、電容布局盡量獨(dú)立、避免干擾，并符合天線特性;節(jié)點(diǎn)接口分布采用ti標(biāo)準(zhǔn)接口形式，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固可靠。由于cc2530集無線收發(fā)和微處理器于一體，只需要極少的外圍輔助電路[3]，因此pcb的設(shè)計(jì)要完全適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)pcb圖和實(shí)物如圖5所示。pcb板的尺寸為長(zhǎng)寬高25mm×41mm×1.6mm，接口為11×2雙排插針，間距2.54mm。接口管腳定義為ti的標(biāo)準(zhǔn)接口。

經(jīng)實(shí)地測(cè)量，在不加功率增益的情況下有效傳輸距離120米;最大輸出功率10dbm;接收靈敏度-97dbm;功耗方面：接收模式24ma，發(fā)送模式29ma，低功耗模式0.4ua。該設(shè)備具有功能模塊專一、接口穩(wěn)固通用的特點(diǎn)，8路模擬量輸入接口，4路數(shù)字量輸入輸出接口，2路數(shù)字量輸出接口和1個(gè)rs232接口。