zigbee基本概念及组网特性

 

在这一章中，我们将一起来看一下zigbee的几个基本概念。当然，由于zigbee协议的复杂性，暂时只介绍下后面将提到的几个功能中用得到的概念。对于一些深入的概念的理解，将在介绍模块的API模式时，再进行补充。

一、Zigbee基本概念介绍
　　Zigbee是一种基于802.15.4物理层协议、支持自组网、多点中继，可实现网状拓扑的复杂的组网协议，加上其低功耗的特点，使得网络间的设备必须各司其职，有效地协同工作。

1、Zigbee网络的设备类型
　　在Zigbee网络中，有三种不同类型的设备，分别叫做：协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端节点（End Device），如下图所示：
　　 

　　1.1  协调器的功能特点
       >选择一个频道和PAN ID，组建网络
       >允许路由和终端节点加入这个网络
       >对网络中的数据进行路由
       >必须常电供电，不能进入睡眠模式
       >可以为睡眠的终端节点保留数据，至其唤醒后获取。

　　1.2  路由器的功能特点
　     >在进行数据收发之前，必须首先加入一个zigbee网络
        >本身加入网络后，允许路由和终端节点加入
        >加入网络后，可以对网络中的数据进行路由
        >必须常电供电，不能进入睡眠模式
        >可以为睡眠的终端节点保留数据，至其唤醒后获取。

　　1.3  终端节点的功能特点
        >在进行数据收发之前，必须首先加入一个zigbee网络
        >不能允许其他设备加入
        >必须通过其父节点收发数据，不能对网络中的数据进行路由
        >可由电池供电，进入睡眠模式

　　协调器在选择频道和PAN ID组建网络后，其功能将相当于一个路由器。协调器或者路由器均允许其他设备加入网络，并为其路由数据。

　　终端节点通过协调器或者某个路由器加入网络后，便成为其“子节点”；对应的路由器或者协调器即成为“父节点”。由于终端节点可以进入睡眠模式，其父节点便有义务为其保留其他节点发来的数据，直至其醒来，并将此数据取走。

2、PAN ID
　　PAN的全称为Personal Area Networks，即个域网。每个个域网都有一个独立的ID号，即称为PAN ID。整个个域网中的所有设备共享同一个PAN ID。Zigbee设备的PAN ID可以通过程序预先指定，也可以在设备运行期间，自动加入到一个附近的PAN中。

二、寻址

1、Zigbee设备的地址类型
　　Zigbee设备有两种不同的地址：16位短地址和64位IEEE地址。其中64位地址是全球唯一的地址，在设备的整个生命周期内都将保持不同，它由国际IEEE组织分配，在芯片出厂时已经写入芯片中，并且不能修改。而短地址是在设备加入一个zigbee网络时分配的，它只在这个网络中唯一，用于网络内数据收发时的地址识别。但由于短地址有时并不稳定，由于网络结构的变化会发生改变，所以在某些情况下必须以IEEE地址作为通讯的目标地址，以保证数据有效送达。

2、FBee的地址分配方法
　　FBee采用的是最新的Zigbee Pro的协议栈，在此版本的协议栈中：首先，在任何一个PAN中，短地址0x0000都是指协调器。而其他设备的短地址是随机生成的。当一个设备加入网络之后，它从其父节点获取一个随机地址，然后向整个网络广播一个包含其短地址和IEEE地址的“设备声明”（Device Announce），如果另外一个设备收到此广播后，发现与自己地址相同，它将发出一个“地址冲突”（Address Conflict）的广播信息。有地址冲突的设备将全部重新更换地址，然后重复上述过程，直至整个网络中无地址冲突。

3、FBee设备的短地址变化说明
　　在FBee的“透传”、“采集”与“控制”几大功能中，设备地址是至关重要的一个参数，只有地址设置正确，通讯才能按照预期进行。在此有必要对地址的使用进行详细的说明。

　　3.1 协调器和路由器的短地址
　　协调器的短地址为0x0000，不会发生变化。而FBee的路由器短地址，是在其第一次上电时，按照上文2的规则，由其父节点成功分配一次之后，保存在内部flash中，以后无论如何开关机都将保持不变。

　　值得一提的是，正是由于这种简单的网络结构，用户可以选择一个协调器+n个路由器的方式来组成一个无“低功耗”需求的网络，进行“无线透传”等应用，简单地使用短地址即可保证数据送达至正确的设备。

　　3.2 终端节点的短地址
　　上述协调器+路由器的方式可以满足部分应用，但无法体现Zigbee自组网与低功耗的优势。这时就要发挥终端节点的特点。FBee终端节点的使用，将在后续章节中详细说明，此处仅介绍其短地址变化规律与长地址的使用。

　　FBee终端节点可实现Zigbee的“自组”、“自愈”功能。每次打开终端节点的电源，它将自动检查其附近的路由器/协调器与其连接的信号质量，选择信号质量最好的路由为其父节点加入网络。在加入网络之后，它将周期性地发送数据请求（MAC data requests），如果其父节点没有对其请求进行响应，并且重试几次后，仍无响应，则判定为父节点丢失，此时终端节点将重复上述过程，重新寻找并加入网络。

　　注：由于FBee遵循的是Zigbee Pro的规范，重新加入新的父节点后，其短地址将保持不变。但在Zigbee 2007协议中，由于采用的是树型的固定地址方式，在更换父地址后，节点短地址会发生变化。

　　3.3 利用节点的长地址进行寻址
　　由于短地址的可变性，在具备可移动节点（End Device）的网络中，最好使用长地址进行通讯，以确保数据送到正确的设备中。FBee模块可实现设备的长地址寻址，仅需一个简单的ATDL指令即可。具体的操作将在后续章节进行介绍。

 

三、数据发送方式
　　针对FBee模块现有的数据发送方式，我们重点介绍Zigbee的单播和广播两种方式。单播模式下面，数据由一个源设备，发送至一个目标设备；而广播模式，数据是由一个源设备，发送至很多，或者是所有的设备。

1、单播方式
　　单播方式下，数据由源设备发出，直接或者经过几级中转后，发送至目的地址。加入zigbee网络的所有设备之间都可以进行单播传输，可用16位短地址或者64位长地址进行寻址。具体路由关系由协调器/路由器进行维护、查询。路由表的相关内容将在后续FBee API模式的章节中进行介绍。

2、广播方式
　　广播方式是由一个设备发送信息至整个zigbee网络的所有设备，其目标短地址使用0xFFFF。另外，0xFFFD与0xFFFC也可作为广播地址。其区别如下：

　　0xFFFF: 广播数据发送至所有设备，包括睡眠节点
　　0xFFFD: 广播数据发送至正在睡眠的所有设备
　　0xFFFC: 广播数据发送至所有协调器和路由器

　　提到“广播”，可能不少人会认为zigbee的广播就像村里的大喇叭，一个人讲一遍，所有的人竖着耳朵听一次，就完成任务了。其实并不是这样的，Zigbee的广播更像是“传悄悄话”，一传十、十传百，一点点“蔓延”出去的。

　　举个最简单的例子：
　　一个网络中，有ABC三个设备，A是B的邻居；B是C的邻居；但A和C不是邻居。 

　　　　　　　　　　A--------->B-------->C

　　当A要发广播给整个网络的时候，由于距离关系，A无法直接发送给C，那么A首先广播给它的邻居（此例中只有B），B再广播给它的邻居（此例中有A和C），A此时收到B的广播数据，与自己发送的广播数据对比后得知：自己已经将信息广播给了B，且B已经成功中继此广播数据，此时A完成任务，并不再继续接受广播。

　　同理，C收到B的广播后，再广播给它的邻居（此例中只有B），B受到C的广播后，得知C也已经收到了自己的广播信息，且成功中继。

　　以此类推，任何一个数据广播都可以以这种方式，一步步往外蔓延，最终每个节点都成功收到信息，而且保证信息不会无止境地在网络间传播。

　　这种广播方式成功地将通讯范围扩大至整个网络，但由于这种信息在网络间频繁地转发，导致网络负担陡增，所以建议不要过分使用广播方式，而且每次广播的数据尽可能少，发送的时间间隔尽量不要太短！