基于ZigBee技术的星形网络应用设计

功能通用Zigbee收发器LT2510收发器输出功率在CE市场辐射10 mW 100 mW接收器灵敏度-96 dBm * -98 dBm速率）点对点范围（10 dBm衰落余量.5英里1.5英里（125 mW模块2.5英里）覆盖1.5英里距离的节点数量2终点+ 2-路由器2-只是终点寻址复合体（网络和IEEE）简单（仅限MAC）1.5英里传输的延迟（带请求，无重试）100毫秒（假设每跳10毫秒）6.5毫秒吞吐量《8 kbps两跳》 115.2 kbps *基于平均收发器的数字，不是特定的收发器

ZigBee具有一些强大的功能，使其成为M2M通信的强大协议，但这并不意味着它已经过优化对于所有网络，星际网络可以从中受益实施，更有效的解决方案。

在实现网状网络时考虑实际数据流非常重要。尽管在M2M应用中具有众多优势，但ZigBee可能并不总是最佳选择。

ZigBee®等多跳网状协议因其将低数据速率，机器连接到一起的能力而受到很多关注。 - 机器（M2M）应用。特别是ZigBee将自己定位为无线低功耗网状协议的标准承载。 ZigBee解决方案的许多功能都涉及扩展无线M2M市场的要求。低数据速率，低功耗，通过网格增强的范围，以及分组数据的自动按需路由是ZigBee的关键方面，它们在M2M市场空间中创造了这样的嗡嗡声。

对星形网络的要求

在实现ZigBee类型的网格时，考虑通过网络的实际数据流是很重要的。虽然所有节点都可以相互通信，但实际上，大多数网络都是指向多点（或多点到点，具体取决于您的视角），并形成星形拓扑。数据从中央服务器流向收集数据或提供某种操作的特定端点。来自终点的数据也能够回流到中心点。这是大多数无线传感器和控制应用的基本网络流程，包括楼宇自动化，远程医疗，智能能源和零售。对于星型网络，多跳网格不是必需的，而是确保所有节点连接的功能。

实际上，在星型网络中，ZigBee网络所需的开销量可能会受到限制。最佳解决方案。图1显示了一个具有多个端节点的星型网络示例，它们都与单个中央服务器进行通信。

图1：星型网络。

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ZigBee具有双层寻址方案，在节点上硬编码的低层IEEE地址和用于传输的动态分配的网络地址。只有网络地址用于路由数据，因此最终用户必须在IEEE地址和网络地址之间进行转换才能正确地寻址数据包。这类似于ARP在传统以太网网络中的运行方式。这种双层寻址对于路由网络是常见的，并且提供了来自硬件（IEEE）层的抽象层。对于星型网络，它仅用于为简单的连接问题提供另一层复杂性，如图2所示。

图2：通过多跳网格实现的星型网络。

ZigBee网格基于IEEE 802.15.4标准定义的基础RF协议。 IEEE 802.15.4是一种直接序列扩频（DSSS）调制系统，设计用于868 MHz，900 MHz和2.4 GHz ISM频段。实际上，大多数收发器工作在2.4 GHz，因为它提供了全球接受度和更高的250 kbps RF数据速率。在包括欧洲在内的世界许多地方，2.4 GHz DSSS收发器的辐射输出功率限制为10 mW。将此与蓝牙®和专有射频跳频系统相比较，根据CE规定可以辐射高达100 mW - 输出功率的十倍。此限制降低了模块的总功耗，但也限制了模块的范围。 ZigBee通过多跳网状路由解决了这个范围问题。

添加路由器以提供连接性有缺点。首先，它增加了系统的总成本，因为需要更多的收发器。其次，当每个分组通过附加节点路由时，系统的总延迟增加，因为节点仅具有单个收发器并且不能同时发送和接收。如果在传输数据分组之前需要执行路由请求，则可以进一步增加等待时间。数据流量的复杂性如图3所示。

图3：ZigBee数据包传送。

在图3中，如果假设十次传输中的每一次传输至少需要10 ms（其中不会考虑重新传输任何数据的需要），然后用户需要超过100毫秒才能收到他们的确认。

ZigBee Pro™是ZigBee规范的第三个主要版本，通过实现源代码来解决这个问题。路由。源路由可以减少所需的路由请求量，但通过在数据包中包含每个跃点的网络地址，为通过空中发送的数据包增加额外的开销。高延迟会限制ZigBee网络有效地将数据从一个点传输到另一个点的能力。如果ZigBee节点每次数据包传输只能传输100个字节的数据，而不是每100毫秒传输100个字节，则实际数据速率仅为8 kbps - 低于许多应用程序用于数据传输的9600波特率。它远远低于许多应用程序所需的115，200 bps。由于这些限制，所有数据必须作为离散数据包进行管理，并且不经常发送。最后，如果需要额外的路由器来提供连接，最终用户负责提供支持中间路由器的基础设施。额外的节点不仅带来额外的成本，它们还必须位于电源附近，并且必须位于提供最佳覆盖范围。

Laird Technologies解决方案

覆盖问题通常可以通过替代低功率中间路由器来解决在链路的每一端都有更高功率的发射机。从10 mW到100 mW将在链路预算中提供10 dBm的增益 - 大约是范围增加的2.5倍。此外，对于非CE市场，例如北美，可提供高达1 W的更高输出功率以提供额外的覆盖。一旦摆脱了ZigBee功率和数据速率限制的限制，最终用户就可以从M2M应用的大量标准和专有解决方案中进行选择。

Laird Technologies的LT2510系列跳频串行到无线模块就是一个例子。 LT2510系列专为工业M2M应用而设计，采用小巧，经济高效的外形，提供同类最佳的产品系列和吞吐量。 LT2510系列具有智能服务器/客户端架构，是点对点和星型网络的理想选择。这些设备的智能抽象了复杂的基础RF协议，其更高的输出功率消除了多个设备提供远距离连接的需要。 LT2510系列允许无限数量的客户端自动同步到单个服务器，即星形系统的中心点。然后向最终用户呈现从其主机设备到连接到中央服务器的主机的直接串行链路。 LT2510系列的射程可达2.5英里，可为星形网络提供大范围的覆盖区域。图4显示了通过类似LT2510系统发送的相同用户数据。

图4：LT2510数据包传输。

由于LT2510系列模块具有更高的输出功率，因此整个链路可以是仅使用两个主要节点进行管理。不需要中间路由器或路由协议。数据从源流到目的地，并且可以在短至6.5毫秒内接收确认（假设没有重试）。

对于大多数网络而言，小于30毫秒的确认是典型的。通过最佳配置，可以实现115，200 bps的线路速率，以允许通过无线链路传输数据。

虽然LT2510系列模块为串行到无线网络提供了非常简单，完全认证的实现，但它们还提供了许多OEM主机可用于优化性能的高级功能。这些功能包括降低的空闲电流消耗小于10 mA，50μA睡眠状态，能够在26 ms内唤醒和发送，以及高级API功能，可使用API标头快速重定向传输数据。此外，LT2510系列具有RF模式，允许500 kbps RF数据速率，是802.15.4 ZigBee网络速率的两倍。易于使用，快速上市和全球认证的结合使OEM能够快速，经济地将LT2510模块集成到星形网络设计中。