基于ZigBee技術的星形網絡應用設計

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）點對點范圍（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)點數量2終點+ 2-路由器2-只是終點尋址復合體（網絡和IEEE）簡單（僅限MAC）1.5英里傳輸的延遲（帶請求，無重試）100毫秒（假設每跳10毫秒）6.5毫秒吞吐量《8 kbps兩跳》 115.2 kbps *基于平均收發(fā)器的數字，不是特定的收發(fā)器

ZigBee具有一些強大的功能，使其成為M2M通信的強大協議，但這并不意味著它已經過優(yōu)化對于所有網絡，星際網絡可以從中受益實施，更有效的解決方案。

在實現網狀網絡時考慮實際數據流非常重要。盡管在M2M應用中具有眾多優(yōu)勢，但ZigBee可能并不總是最佳選擇。

ZigBee?等多跳網狀協議因其將低數據速率，機器連接到一起的能力而受到很多關注。 - 機器（M2M）應用。特別是ZigBee將自己定位為無線低功耗網狀協議的標準承載。 ZigBee解決方案的許多功能都涉及擴展無線M2M市場的要求。低數據速率，低功耗，通過網格增強的范圍，以及分組數據的自動按需路由是ZigBee的關鍵方面，它們在M2M市場空間中創(chuàng)造了這樣的嗡嗡聲。

對星形網絡的要求

在實現ZigBee類型的網格時，考慮通過網絡的實際數據流是很重要的。雖然所有節(jié)點都可以相互通信，但實際上，大多數網絡都是指向多點（或多點到點，具體取決于您的視角），并形成星形拓撲。數據從中央服務器流向收集數據或提供某種操作的特定端點。來自終點的數據也能夠回流到中心點。這是大多數無線傳感器和控制應用的基本網絡流程，包括樓宇自動化，遠程醫(yī)療，智能能源和零售。對于星型網絡，多跳網格不是必需的，而是確保所有節(jié)點連接的功能。

實際上，在星型網絡中，ZigBee網絡所需的開銷量可能會受到限制。最佳解決方案。圖1顯示了一個具有多個端節(jié)點的星型網絡示例，它們都與單個中央服務器進行通信。

圖1：星型網絡。

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ZigBee具有雙層尋址方案，在節(jié)點上硬編碼的低層IEEE地址和用于傳輸的動態(tài)分配的網絡地址。只有網絡地址用于路由數據，因此最終用戶必須在IEEE地址和網絡地址之間進行轉換才能正確地尋址數據包。這類似于ARP在傳統(tǒng)以太網網絡中的運行方式。這種雙層尋址對于路由網絡是常見的，并且提供了來自硬件（IEEE）層的抽象層。對于星型網絡，它僅用于為簡單的連接問題提供另一層復雜性，如圖2所示。

圖2：通過多跳網格實現的星型網絡。

ZigBee網格基于IEEE 802.15.4標準定義的基礎RF協議。 IEEE 802.15.4是一種直接序列擴頻（DSSS）調制系統(tǒng)，設計用于868 MHz，900 MHz和2.4 GHz ISM頻段。實際上，大多數收發(fā)器工作在2.4 GHz，因為它提供了全球接受度和更高的250 kbps RF數據速率。在包括歐洲在內的世界許多地方，2.4 GHz DSSS收發(fā)器的輻射輸出功率限制為10 mW。將此與藍牙?和專有射頻跳頻系統(tǒng)相比較，根據CE規(guī)定可以輻射高達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通過多跳網狀路由解決了這個范圍問題。

添加路由器以提供連接性有缺點。首先，它增加了系統(tǒng)的總成本，因為需要更多的收發(fā)器。其次，當每個分組通過附加節(jié)點路由時，系統(tǒng)的總延遲增加，因為節(jié)點僅具有單個收發(fā)器并且不能同時發(fā)送和接收。如果在傳輸數據分組之前需要執(zhí)行路由請求，則可以進一步增加等待時間。數據流量的復雜性如圖3所示。

圖3：ZigBee數據包傳送。

在圖3中，如果假設十次傳輸中的每一次傳輸至少需要10 ms（其中不會考慮重新傳輸任何數據的需要），然后用戶需要超過100毫秒才能收到他們的確認。

ZigBee Pro?是ZigBee規(guī)范的第三個主要版本，通過實現源代碼來解決這個問題。路由。源路由可以減少所需的路由請求量，但通過在數據包中包含每個躍點的網絡地址，為通過空中發(fā)送的數據包增加額外的開銷。高延遲會限制ZigBee網絡有效地將數據從一個點傳輸到另一個點的能力。如果ZigBee節(jié)點每次數據包傳輸只能傳輸100個字節(jié)的數據，而不是每100毫秒傳輸100個字節(jié)，則實際數據速率僅為8 kbps - 低于許多應用程序用于數據傳輸的9600波特率。它遠遠低于許多應用程序所需的115，200 bps。由于這些限制，所有數據必須作為離散數據包進行管理，并且不經常發(fā)送。最后，如果需要額外的路由器來提供連接，最終用戶負責提供支持中間路由器的基礎設施。額外的節(jié)點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?？梢酝ㄟ^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。從10 mW到100 mW將在鏈路預算中提供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功率和數據速率限制的限制，最終用戶就可以從M2M應用的大量標準和專有解決方案中進行選擇。

Laird Technologies的LT2510系列跳頻串行到無線模塊就是一個例子。 LT2510系列專為工業(yè)M2M應用而設計，采用小巧，經濟高效的外形，提供同類最佳的產品系列和吞吐量。 LT2510系列具有智能服務器/客戶端架構，是點對點和星型網絡的理想選擇。這些設備的智能抽象了復雜的基礎RF協議，其更高的輸出功率消除了多個設備提供遠距離連接的需要。 LT2510系列允許無限數量的客戶端自動同步到單個服務器，即星形系統(tǒng)的中心點。然后向最終用戶呈現從其主機設備到連接到中央服務器的主機的直接串行鏈路。 LT2510系列的射程可達2.5英里，可為星形網絡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)送的相同用戶數據。

圖4：LT2510數據包傳輸。

由于LT2510系列模塊具有更高的輸出功率，因此整個鏈路可以是僅使用兩個主要節(jié)點進行管理。不需要中間路由器或路由協議。數據從源流到目的地，并且可以在短至6.5毫秒內接收確認（假設沒有重試）。

對于大多數網絡而言，小于30毫秒的確認是典型的。通過最佳配置，可以實現115，200 bps的線路速率，以允許通過無線鏈路傳輸數據。

雖然LT2510系列模塊為串行到無線網絡提供了非常簡單，完全認證的實現，但它們還提供了許多OEM主機可用于優(yōu)化性能的高級功能。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內喚醒和發(fā)送，以及高級API功能，可使用API標頭快速重定向傳輸數據。此外，LT2510系列具有RF模式，允許500 kbps RF數據速率，是802.15.4 ZigBee網絡速率的兩倍。易于使用，快速上市和全球認證的結合使OEM能夠快速，經濟地將LT2510模塊集成到星形網絡設計中。