Zigbee

低功耗 Mesh 网络

定义

Zigbee 是基于 IEEE 802.15.4 的低功耗 mesh 网络协议,工作在 2.4GHz,支持自组网、多跳中继。适用于智能家居、楼宇自动化、工业传感器等短距离场景,与 BLE、LoRa 形成互补。

技术特性

Zigbee 采用 mesh 拓扑,节点可多跳中继,扩展覆盖范围。典型传输距离 10~100m,速率 250kbps。支持 Coordinator、Router、End Device 三种角色。Zigbee 3.0 统一了不同应用层规范。与 BLE 相比,Zigbee 适合多设备 mesh 组网、低功耗传感器;BLE 手机原生支持、生态成熟。与 LoRa 相比,Zigbee 为短距离、多节点;LoRa 为远距离、少数据量。

应用场景

智能家居(灯光、窗帘、温控、安防);楼宇自动化(照明、HVAC);工业传感器网络;智慧农业。Zigbee 网关可将 Zigbee 设备接入 Wi-Fi/以太网,数据上报至云平台。Matter 等新标准正在融合 Zigbee、BLE、Thread 等,推动智能家居互联互通。

网状角色与信道共存

协调器建网,路由转发,终端睡眠

网络由三种角色撑起来。协调器负责选定信道和网络号并允许设备加入,一个网络需要它先存在。路由器保持清醒,替更远的节点转发,同时也能挂传感器。终端设备可以长时间睡觉,只在上报或被父节点缓存的数据需要取走时醒来,因而适合电池传感器。睡觉的节点不能替别人转发。把所有节点都配成终端,网络就退化成协调器周围的一小圈;把电池节点配成路由,电池会按始终监听的电流消耗。

mesh 的路径不是固定电线。某只路由断电后,邻居会重新找路,恢复时间取决于网络允许的发现节奏。这段时间里上报会丢或变慢。父节点负责暂存发给睡眠终端的下行,缓存深度有限,下行太密会被丢弃。所以睡眠终端适合自己醒来上报,不适合随时接收一长串命令。

适合室内多点、低速率

它适合房间、楼层和厂房局部里点数多、每点数据少、可以接受零点几秒到数秒延迟的开关和传感器。单跳距离受墙体和 2.4 吉赫兹同频干扰限制,覆盖靠路由一跳一跳延伸,不是靠把发射功率拉到法规上限。需要公里级、或者每秒都要图像的场合不在它的适用区内。与手机直连也不是默认能力,手机侧通常要经过网关做协议转换,网关自己应是一只始终在线的路由或协调器。

使用前要规划信道和网络号。同一栋楼两套系统若用了相同网络号又开放加入,传感器会挂到别人的协调器上,表现为随机离线。安装时应在完工后关闭随意加入,只在维护窗口打开。每个路由的子节点数量有上限,一条走廊上把所有传感器都挂到最近的一只路由,会在这只路由上挤满,远处路由却空着。

信道、网络号和路由老化

信道冲突是室内失败的常见原因。无线局域网和蓝牙也使用 2.4 吉赫兹,重叠信道上重传增多,表现为白天人多时掉线、夜间恢复。应把信道选在现场能量较低的位置,并在入驻后复测,而不是沿用出厂信道。第二是路由老化。装修挪动金属柜或拆掉一只始终供电的路由后,原来的路径失效,末端节点仍显示曾经入网,报文却到不了协调器。要有路径和父节点的诊断,而不是只看最后一次成功的时间。

第三是把睡眠终端当路由使用,或者让协调器可以断电。协调器长时间不在,新设备无法加入,部分网络甚至无法恢复邻居表。协调器应固定供电,配置有备份。重命名网络号后旧节点不会自动跟随,需要逐台重新加入。最后,网关应用层若不等待mesh确认就连续重发,会把本已拥挤的信道再填满,应限制重试并让设备自己的上报周期起主导作用。

入网窗口关闭后,替换损坏节点要有单独的允许流程。若为了省事长期开放加入,邻居网络的设备会在信号重叠时挂进来,点表里出现无法控制的陌生地址。维护记录应留下每次打开加入的时间和操作者。

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