ZigBee技术介绍

精简功能设备(RFD)：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。附带有限的功能来控制成本和复杂性，在网络中通常用作终端设备。

ZigBee网络定义了三种节点类型：

协调器和路由器必须是全功能器件(FFD: Full function device)，

终端设备可以是全功能器件，也可以是简约器件（RFD: reduce function device

）。

协调点是一个特殊的FFD，它具有较强的功能，是整个网络的主要控制者，它根据网络的最大深度(nwkMaxDepth)，每个路由器能最多连接子设备的数目(nwkMaxChildren)，每个路由器能最多连接子路由器的数目(nwkMaxRouters)等参数建立新的网络、发送网络信标、管理网络中的节点以及存储网络信息等。

RFD的应用相对简单，例如在传感器网络中，它们只负责将采集的数据信息发送给它的协调点，不具备数据转发、路由发现和路由维护等功能。RFD占用资源少，需要的存储容量也小，在不发射和接收数据时处于休眠状态，因此成本比较低，功耗低。

FFD除具有RFD功能外，还需要具有路由功能，可以实现路由发现、路由选择，并转发数据分组。

一个FFD可以和另一个FFD或RFD通信，而RFD只能和FFD通信，RFD之间是无法通信的。一旦网络启动，新的路由器和终端设备可以通过路由发现、设备发现等功能加入网络。当路由器或终端设备加入ZigBee 网络时，设备间的父子关

系（或说从属关系）即形成，新加入的设备为子，允许加入的设备为父。一个简单的ZigBee网络父子关系如图3-a中的A、B。

ZigBee中每个协调点最多可连接255个节点，一个ZigBee网络最多可容纳65535个节点。

3.2 网络拓扑

ZigBee网络的拓扑结构主要有三种，星型网、网状（mesh）网和混合网，见图3。星型网（图3-c）是由一个协调点和一个或多个终端节点组成的。协调点必须是FFD，它负责发起建立和管理整个网络，其它的节点（终端节点）一般为RFD，分布在协调点的覆盖范围内，直接与协调点进行通信。星型网的控制和同步都比较简单，通常用于节点数量较少的场合。

网状网（Mesh网）（图3-a）一般是由若干个FFD连接在一起形成，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信。Mesh 网中，一般将发起建立网络的FFD节点作为协调点。Mesh网是一种高可靠性网络，具有“自恢复”能力。它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择。

3.3 网络路由

ZigBee网络层的路由功能主要为网络连接提供路由发现、路由选择、路由维护功能，路由算法是它的核心。目前ZigBee网络层主要支持两种路由算法—树路由和网状网路由。树路由采用一种特殊的算法，具体可以参考ZigBee的协议栈规范。它把整个网络看作是以协调器为根的一棵树，整个网络由协调器建立，而协调器的子节点可以是路由器或者是末端节点，路由器的子节点也可以是路由器或者末端节点，末端节点相当于树的叶子没有子节点。树路由利用了一种特殊的地

址分配算法，使用四个参数—深度、最大深度、最大子节点数和最大子路由器数来计算新节点的地址，寻址的时候根据地址计算路径。ZigBee路由只有两个方向—向子节点发送或者向父节点发送。树状路由不需要路由表，节省存储资源，但缺点是很不灵活，浪费了大量的地址空间，并且路由效率低。ZigBee还有一种路由方法是网状网路由Z-AODV（AODV Ad Hoc On Demand），这种方法实际上是Ad Hoc 按需路由算法的一个简化版本，是一种基于距离矢量的按需路由算法，非常适合于低成本的无线自组织网络的路由。它可以用于较大规模的网络，需要节点维护一个路由表，耗费一定的存储资源，但往往能达到最优的路由效率，而且使用灵活。

4、网络性能及技术特征

工业无线网络的数据链路层协议需要充分考虑极端的工业无线通信环境、多样化信息的实时通信、休眠等节能机制，满足更为严格的可靠性、实时性和节能性要求。以下是ZigBee几个典型的网络性能。

可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；

成本低：首先ZigBee协议免专利费，其次ZigBee网络短距离、低功耗等都可以降低网络的成本；

时延短：网络时延是指终端节点发出请求到其接收到回答信息所需要的时间。ZigBee网络针对工业通信对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms；

网络容量：一个ZigBee 网络可以容纳最多254 个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络；

安全：ZigBee网络特别是网状网规模庞大，节点数目多，网络拓扑结构变化快，使其在安全性能上面临更大挑战。ZigBee联盟在网络安全方面提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，各个网络应用可以灵活确定其安全属性。

5、ZigBee协议应用于工业无线通信中需考虑的问题

5.1 可靠性

5.1.1 干扰引起可靠性下降

工业自动化主要的应用是工业控制和工业监视，大部分的工业控制应用要求数据的可靠传输率超过95%。但是企业的生产环境是很复杂的，环境中往往存在IEEE802.11、蓝牙、IEEE802.15.4等多种类型的无线网络，这些网络大都集中在2.4GHz的ISM共享频段上，见图4.彼此间存在严重的同频干扰；另一方面，工业环境中的射频通信条件较为恶劣，厂房中遍布的各种大型器械、金属管道等对信号的反射、散射造成的多径效应，以及马达、器械运转时产生的电磁噪声，无线信号会在其环境中反射、折射，引起传输延迟和多路径漫射，最终导致数据信号波形展宽，产生码间串扰。

图4

5.1.2 协调节点的可靠性

ZigBee网络中协调节点与控制端连接是网络核心，它的可靠性对整个网络