简单ZigBee星型组网实验
【实验目的】
了解ZigBee星型网络通信原理及相关技术
【实验内容】
利用1个ZigBee协调器、多个传感控制节点组建一个简单的星型网络，并观察射频顶板上LED指示灯的变化，利用上位机软件，查看生成的网络拓扑。
ZigBee相关基础知识
1、ZigBee信道
IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。
两者均基于直接序列扩频（DirectSequenceSpread Spectrum，DSSS）技术。
ZigBee使用了3个频段，定义了27个物理信道，其中868MHz频段定义了一个信道；915MHz 频段附近定义了10个信道，信道间隔为2MHz；2.4GHz频段定义了16个信道，信道间隔为5MHz。
2、ZigBee的PANID
PANID其全称是Personal Area Network ID，网络的ID（即网络标识符），是针对一个或多个应用的网络，用于区分不同的ZigBee网络，所有节点的PANID唯一，一个网络只有一个PANID，它是由协调器生成的，PANID是可选配置项，用来控制ZigBee路由器和终端节点要加入那个网络。
PANID是一个32位标识，范围为0x0000～0xFFFF。
3、ZigBee物理地址
ZigBee 设备有两种类型的地址：物理地址和网络地址。
物理地址是一个64 位IEEE 地址，即MAC 地址，通常也称为长地址。
64 位地址是全球唯一的地址，设备将在它的生命周期中一直拥有它。
它通常由制造商或者被安装时设置。
这些地址由IEEE 来维护和分配。
16位网络地址是当设备加入网络后分配的，通常也称为短地址。
它在网络中是唯一的，用来在网络中鉴别设备和发送数据，当然不同的网络16位短地址可能相同的。
ZigBee设备类型
ZigBee设备类型有三种：协调器、路由器和终端节点。
ZigBee协调器（Coordinator）
它是整个网络的核心，是ZigBee网络的第一个开始的设备，它选择一个信道和网络标识符（PANID），建立网络，并且对加入的节点进行管理和访问，对整个无线网络进行维护。
在同一个ZigBee网络中，只允许一个协调器工作，当然它也是不可缺的设备。
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所示为ZigBee协调器。
ZigBee路由器（Router）
ZigBee路由节点，它的作用是提供路由信息。
ZigBee 终端节点（End-Device）
ZigBee终端节点，它有没有路由功能，完成的是整个网络的终端任务。
ZigBee网络的形成
首先，由Zigbee协调器建立一个新的Zigbee网络。
一开始，Zigbee协调器会在允许的通道内搜索其它的Zigbee协调器。
并基于每个允许通道中所检测到的通道能量及网络号，选择唯一的16位PAN ID，建立自己的网络。
一旦一个新网络被建立，Zigbee路由器与终端设备就可以加入到网络中了。
网络形成后，可能会出现网络重叠及PAN ID冲突的现象。
协调器可以初始化PAN ID冲突解决程序，改变一个协调器的PAN ID 与信道，同时相应修改其所有的子设备。
通常，Zigbee设备会将网络中其它节点信息存储在一个非易失性的存储空间-邻居表中。
加电后，若子节点曾加入过网络，则该设备会执行孤儿通知程序来锁定先前加入的网络。
接收到孤儿通知的设备检查它的邻居表，并确定设备是否是它的子节点，若是，设备会通知子节点它在网络中的位置，否则子节点将作为一个新设备来加入网络。
而后，子节点将产生一个潜在双亲表，并尽量以合适的深度加入到现存的网络中。
通常，设备检测通道能量所花费的时间与每个通道可利用的网络可通过ScanDuration扫描持续参数来确定，一般设备要花费1分钟的时间来执行一个扫描请求，对于Zigbee路由器与终端设备来说，只需要执行一次扫描即可确定加入的网络。
而协调器则需要扫描两次，一次采样通道能量，另一次则用于确定存在的网络。
Z i g B e e的星形网络或簇树网络存在对单点故障具有高敏感度，不可靠性等缺陷，而Z i g B e e 网状网技术采用的是网状网络架构，提供了多条路径，具有自动“ R o u t i n g ”功能，是一种低功率的多级跳点系统．与传统的点到点网络相比， Z i g B e e 网状网技术表现出明显的优势，为网络用户提供了更大的覆盖范围、更高的吞吐率和更好的故障恢复性，将有很大的应用前景．
Zigbee技术特点
zigbee技术是近期发展起来的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、
低成本的双向无线通信技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接．I E E E无线个人区域网( P A N) 2 E 作组的IEEE802.15.4 - 技术标准是 Z i g B e e 技术的基础． I E E E 8 0 2.1 5.4工作组主要负责制定物理层、媒体访问控制层( MA C ) 和链路层的标准，而 Z i g b e e 联盟负责其网络层、应用会聚层和高层应用规范( A P I ) 的制定，整个协议架构如图 1 所示
Z i g B e e 采用直接序列扩频( D S S S ) 技术，可工作在 2 ． 4 G Hz ( 全球流行) 、工业科学医疗( I S M) 频段 8 6 8 MHz( 欧洲流行) 和 9 1 5 M
Hz ( 美国流行) 这三个频段上．并在这三个频段上分别具有2 5 0 k b p s、2 0 一 k b p s 和4 0 k b p s 的最高数据传输速率，满足低速率传输数据的应用需求．它的传输距离一般介于 1 0～ 1 0 0 m之间，但也可以更大，实际的传输距离依据发射功率的大小和应用模式而定．而这个传输距离已经完全满足家庭和办公环境的应用需求．
技术优势
Z i g B e e 最显著的技术特性是它的低功耗和低成本．在低耗电待机模式下，2节 5号干电池可支持Z i g b e e 的 1 个节点工作 6 -2 4个月，甚至更长，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦．相比较，蓝牙只能工作数周、 Wi F i 只可工作数小时．另外，由于Z i g B e e 数据传输速率低，模块集成度高，协议简单，所以大大降低了成本，而且 Z i g B e e 是免协议专利费的．除此之外， Z i g B e e 还具有时延短、安全性能高等特性：针对时延敏感的应用做了优化，一般从睡眠转入工作状态只需 1 5 ms ，节点连接进入网络只需 3 0 ms ，进一步节省了电能．相比较，蓝牙需要 3 ～1 0 s ， Wi F i 需要 3 s ；提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单( A C L ) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准( A F s一1 2 8 ) 的对称密码，以灵活确定其安全属性
应用
基于Zigbee技术的传感器网络应用非常广泛，可以帮助人们更好地实现生活梦想。
Zigbee技术应用在数字家庭中，可使人们随时了解家里的电子设备状态，并可用于对家中病人的监控，观察病人状态是否正常以便作出反应。
Zigbee传感器网络用于楼宇自动化可降低运营成本。
如：酒店里遍布空调供暖(HVAC)设备，如果在每台空调设备上都加上一个ZigBee节点，就能对这些空调系统进行实时控制，节约能源消耗。
此外，通过在手机上集成Zigbee芯片，可将手机作为Zigbee 传感器网络的网关，实现对智能家庭的自动化控制、进行移动商务（利用手机购物）等诸多功能。
据BobHeile介绍，目前意大利TIM移动公司已经推出了基于Zigbee技术的Z-sim卡，用于移动电话与电视机顶盒、计算机、家用电器之间的通信及停车场收费等。
4 结语
与传统的固定基础设施无线网络相比，zigbee网状网技术具有强大的功能，是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能，其路由可自动建立和维护；为网络用户提供了更大的覆盖范围、更高的吞吐率和更好的故障恢复性．。