武汉工程大学 毕业设计（论文）
家用电器,医疗健身和建筑、玩具等领域。
由于ZigBee应用于消费类电子设备和PC外设,使得它不可避免的要与蓝牙等现有的网络技术共存如图所示,简单的对ZigBee和蓝牙做了一些比较。
表2-1 ZigBee与牙性能比较
从比较中可以看出,虽然两种技术在应用上有一定重叠,但它们不同的技术特点决定了各自应用的侧重面大相径庭。ZigBee以其低功耗、低速率、低成本等显著特点,更加适合于工业控制、传感器网络和家庭网络的应用,蓝牙则更适合于语音业务和需要更高数据量的业务,如移动终端、耳机、PDA联网等。
2.2.3 ZigBee技术与红外技术
成立于1993年的红外线数据协会IrDA是致力于建立红外线无线连接的非营利性组织。IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术,软硬件技术都很成熟,实现和操作比较简单,成本低廉,应用广泛。如今的绝大部分的手机、PDA以及许多笔记本打印机等都支持IrDA。可供选择的版本也较多。1.0版传送距离为lm,速度只有115kbpe;2.0版在同样传送距离下,可达到4Mbps;1.2版和1.3版本属于省电型,传输距离可达20cm,速度则是11skbPs和4MbPs。
与zigBee相比,IrDA的不足显而易见：
(l)它只能实现点到点的连接,不能同时链接多台设备,这样就无法灵活地构成网络,而zigBee至少可以同时链接255台设备。
(2)lrDA对方向性要求很高,垂直巧度角才能发收信号,ZigBee则利用无线电波具有全向性。
(3)lrDA必须在视线可达的范围内定向传输,中间不能出现任何阻挡,同时要求通信设备的位置相对固定,无法用于移动设备,而ZigBee可以穿透诸如公文包、衣服口袋甚至墙壁之类的障碍物。
(4)红外用于双向数据传输时,通信距离最大不能超过lm,而ZigBee至少可达到10m
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以上。
(5)红外技术的标准目前全球并不统一,不同设备之间的互操作性也不如ZigBee。
2.3 ZigBee技术特征
ZigBee技术在组网方式，可扩张性，可靠性，延时，速率，传输距离等方面都有其自身的特性，具体如下：
1) 组网方式：ZigBee网络采用无线自组织网络的方式，相对于有线 网络，省略了节点
之间路由器的布线，不必将每一个节点都接入有线端口，而同时仍能通过无线连接保持通信，多跳的传输方式使得数据能够有效地从起始节点传输到目标节点，并且存在多条可选的通信路径，一旦某条路径受到损坏，ZigBee网络在对受损链路进行修复的同时，也能选择出相应的替代路径，使得数据能够有效可靠的传输，保证了链路的畅通以及通信的持续性，自组织网络的优点得以充分体现。
2) 可扩展性：ZigBee网络最多能够容纳255个网络设备（包括主从设备两个方面），如
果包含协调器，通过协调器连接，整个网络的节点数可达到6500个，如果协调器之间再相互连接，理论上ZigBee网络能够最多连接65535个节点，具有十分强大的可扩展性，ZigBee网络支持节点数的优势使其拥有广泛的应用前景。
3) 可靠性：ZigBee技术在其介质访问层应用了talk-when-ready的机制，该机制能够
有效避免碰撞，在这种情况下，传送节点将再度传送该数据包，直到收到确认消息为止，通过这种机制，可以在很大程度上避免碰撞的产生，使使得数据有效传输，保证整个网络的可靠性。
4) 延时：ZigBee技术的延时由于其自组织网络的多跳机制以及数据包传送过程中产生
的碰撞，是的延时变得不稳定，这时ZigBee技术特有的延时特性，具有自身的特点。 5) 速率问题：ZigBee技术主要应用的对象是面对低速率的应用，对于需要高速率传输
支持的应用不太适用。通常 ZigBee 技术的传输速率在每秒 100kb 以下，因此，ZigBee技术无法支持对视频影音数据的传送。针对 ZigBee 低速的特性，主要将其应用于感知和控制领域，这些领域有 ZigBee 专门服务的对象。
传输距离：ZigBee 技术属于短距离的无线传感网络技术，其传输距离标准一般从 75m至几百米左右。ZigBee 技术主要面向一些近距离通信的应用，并不适用于远距离通信。
2.4 本章小结
本章首先介绍了 ZigBee 技术的概况，对 ZigBee 技术的协议栈有了一个整体的概述，紧接着介绍了 ZigBee 与其他无线通信技术的比较，最后，概述了 ZigBee 网络的技术特征，本章关于 ZigBee 技术的概述为后续章节的研究做好了理论铺垫。
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第三章 ZigBee路由算法
3.1 ZigBee网络体系
3.1.1 网络配置
（1）两种功能类型设备
ZigBee网络属于低数据速率的无线个域网，有精简功能设备RFD（Reduced-Function Device）与全功能FFD（Full-Function Device）两种功能设备类型。
全功能设备（FFD）：它可以作为网络的协调器，形成网络，能够和其它的RFD或者FFD设备连接通信，具有控制器的作用；它附带有802.14.5制定的全部功能和所有的特点，有更多的存储容量和更强大的计算能力，这使得它可以起到网络路由器的作用，此外还能作为终端节点；
精简功能设备（RFD）：RFD的功能相对简单，只能和FFD通信，采用很少的存储容量实现，这样节省了费用，降低了ZigBee网络的成本，一般只能作为终端节点。
（2）三种节点类型
从网络配置方面来说，ZigBee网络有三种节点类型：中心协调节点、路由节点以及终端设备节点。
ZigBee中心协调点：一个ZigBee个域网络有且只能有一个协调节点，中心协调节点必须是FFD设备。它在整个网络中充当中心节点，是网络的主控器，它负责启动整个网络的建立，配置网络参数、分配网络地址、维护网络和网络节点的信息存储等，这就需要有更多的存储容量和更强大的计算能力来处理这一切，因而中心协调点往往比较复杂。
路由节点：ZigBee路由节点可以作为实现数据的转发、参与路由消息和实现扩张网络的覆盖范围，扩张网络也就是说它可以作为网络的潜在父节点，允许其它的节点通过与其连接从而接入网络。ZigBee路由节点的功能设备类型也必须是全功能设备（FFD）。
终端设备：终端节点没有路由能力或者成为父节点的功能，它不允许其它的节点通过它介入网络，它只和自己的父节点进行主动通信，具体的信息有其父节点或者网络中的协调器和路由器处理。终端节点的功能设备类型可以为FFD或者是RFD。
下图是ZigBee不同类型节点的通信。
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图3.1 ZigBee不同类型节点的通信
3.1.2网络拓扑
ZigBee网络主要支持三种网络拓扑结构，如图3.2是形（Star）、网形（Mesh）和树形（Cluster-Tree）结构。
图3.2 lzigBee网络拓扑结构
1) 星形结构
星星网络由一个PAN（个人局域网）协调器作为网络的中心设备，其它的所有设备分布在中心设备的网络通信范围内，与中心设备进行通信。PAN协调器必须是全功能设备，其它的终端节点可以是FFD也可以是RFD。星形网络一般适用于网络范围小的场合。 2) 网形结构
网形结构网络同样需要一个PAN协调器，协调器负责实现网络信心的管理，认证设备身份等，但是这种网络结构不同于星形网络，网络的节点一般在通信范围内可以直接通信。网络中的点到点支持多跳路由，网络中的每个源节点都有多条可选通信路径到达目的节点，因此网络节点的容错能力较强，可靠性高。而且这种多跳的传输方式以多跳代替了单挑的传输距离，降低了源节点传输时所需要的发送功率。 3) 树形结构
树形网络结构中，大部分功能设备为FFD，而RFD只能作为树干末端的节点。
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任何一个全功能设备（FFD）都可以作为主协调器为在它覆盖范围内的其它从设备节点或主设备节点提供同步服务。在整个PAN中，PAN的主协调器比网络中的其它协调节点拥有更大的存储容量和更加强大的计算能力。树形网络的网络覆盖范围一般比较大，但是同时也会使通讯延时增加，同步上也会变得复杂起来。
3.1.3组网方式
在ZigBee网络中，由没有加入其它网络中的中心协调点发起并建立新的ZigBee网络，ZigBee网络组网过程如图3.3
图3.3 ZigBee网络组网过程
协调器首先进行信道的能量探测扫描以及主动扫描，选择一个其它网络没有使用的空闲信道，然后分配网络的16-bit地址，配置网络的拓扑结构参数、确定自己的网络PAN ID（个人局域网标识）等。因为PAN标识是所选信道中的唯一标志，因而在此信道中探测到得PAN ID不应该会有冲突。在上面介绍的各个参数都定下来以后，其他的节点就可以通过与协调器关联申请加入昂罗。
如下图3.4为个节点加入当前网络和脱离当前网络的过程示意图。
网络建立完成后，协调器允许新节点加入。当一个新的节点想要加入当前网络，和网络中的节点建立网络关联，网络关联的处理包括两部分：待加入网络中的节点的关联请求；网络中节点对关联申请的处理。网络中节点是否有能力接受关联请求，主要在于它本身的存储容量和能量的大小。如果节点有能力作为父节点，则它在收到关联请求以后发出关联应答，并为待加入节点分配一个唯一的16为网络地址，待加入节点在收到关联应答后，成功加入网络中。加入到网络的节点又可以作为其他节点的父节点接受关联请求。ZigBee中，离开网时子节点必须向父节点发送解除关联请求，高层节点向子节点发送应答后，子节点就可以脱离网络，但是有一点需要注意的是此节点在离开网络
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