Silabs ZigBee 无线网络基本原理

概述： 

无线传感器网络（WSN）是一种无线网络，由分布式设备组成，这些设备使用不同位置的传感器来协同监控物理或环境条件，如温度，声音，振动，压力，运动或污染物。

除了一个或多个传感器之外，传感器网络中的每个节点通常还配备有无线电收发器或其他无线通信设备，小型微控制器和能源，通常是电池。单个传感器节点的大小可以从鞋盒大小的节点变化到硬币大小的设备。传感器节点的成本同样可变，这取决于传感器网络的大小和各个传感器节点所需的复杂性。传感器节点的尺寸和成本限制导致对资源的相应约束，例如能量，存储器，计算速度和带宽。

  无线个域网已部分地出现在IEEE 802.15.4标准的结果中，用于嵌入式设备之间的低数据速率数字无线电连接。在媒体访问控制（MAC）和物理（PHY）层之上，已经形成了许多标准，例如Zigbee联盟和线程组，这些标准的形成是为了标准化行业努力为基于的网络解决方案提供技术。 802.15.4，具有低数据速率，消耗非常少的功率，因此具有长电池寿命的特点。Zigbee标准使得所有设备能够进行通信以进行监控和控制的完整且经济高效的联网住宅和类似建筑成为可能。Thread Group为这些小型嵌入式设备带来了IPv6。

一、无线电基础知识     

  1.1 概述    

  无线电是通过调制频率低于可见光的电磁波来无线传输信号。在无线电的情况下，电磁波是一种非电离辐射，它通过穿过电导体，空气和空间真空的振荡电磁场传播。电磁辐射不需要像声波那样的传输介质。通过系统地改变（调制）辐射波的某些特性，例如它们的幅度或频率，可以对电磁波施加信息。当无线电波通过电导体时，振荡场在导体中感应出交流电流。这可以被检测并转换为声音或其他信号，以重现强加的信息。“无线电”一词用于描述这种现象，无线电传输信号被归类为射频发射。用于通信的无线电波的范围或频谱已被分成任意单元以进行识别。联邦通信委员会（FCC）和国家电信和信息协会（NTIA）任意将美国的无线电频谱定义为频率限制在9千赫兹和300千兆赫之间的电磁辐射的自然频谱部分。为方便起见，进入各种子谱。

  1.2频带

  无线电频谱由政府机构和国际条约管理。大多数发射台，包括商业广播公司，军事，科学，工业和业余无线电台，都需要许可才能运营。每个许可证通常定义操作类型，功率电平，调制类型的限制，以及分配的频带是保留用于专用还是共享使用。三个频段可用于传输无线电信号，无需美国政府许可：900 MHz 900 MHz频段在不同国家广泛用于不同的产品，包括寻呼机和蜂窝设备。该带被认为具有良好的射程特性。然而，它可能不太受欢迎，因为它不是全球未经许可的频段，因此产品需要根据它们的使用位置进行修改。2400 MHz 2400 MHz频段是一种非常常用的频段。该频段是全球首批未开发的乐队之一，因此成为无线消费产品的热门产品。使用此频段的典型无线技术是802.11b（1-11 Mbps），802.11g（1-50 Mbps）和802.15.4，以及众多专有无线电类型。5200-5800 MHz 5200 MHz频段有三个子频段，最低的仅用于室内家用，而5800 MHz频率可用于非常快的速度（30 - 100 Mbps）的长距离无线链路。常见的策略是在住宅和家庭环境中使用2400 MHz。Zigbee联盟和线程组支持使用这个频段，两者都在寻找其他SubGHz频段以扩展其功能

  1.3 信号调制    

  调制是改变信号行为以便传输信息的过程。调制也可以被认为是对要发送到接收器的信息进行编码的方式，该接收器将信息解码或解调成有用的形式。基本射频（RF）信号具有可以被视为交流电的基频，其频率被称为载波频率。用于将信息编码到载波上的最早方法涉及在特定持续时间模式中接通和断开载波。这被称为连续波（CW）模式。载波频率也可以在其幅度（即信号强度）或其频率上变化。这两种调制方法分别称为幅度调制（AM）和频率调制（FM）。使用这三种基本调制技术和这些技术的创造性变化，可以将信号施加到载波上。Silicon Labs EFR32和EM3x集成电路系列使用一种偏置正交相移键控（OQPSK）来调制载波。相移键控（PSK）是一种数字调制方案，其通过改变或调制诸如载波的参考信号的相位来传送数据。PSK是FM技术的衍生物。所有数字调制方案都使用有限数量的不同信号来表示数字数据。在PSK的情况下，使用有限数量的相位。为这些阶段中的每一个分配唯一的二进制位模式。通常，每个阶段编码相同数量的比特。每个比特模式形成由特定阶段表示的符号。专门为调制器使用的符号集设计的解调器确定接收信号的相位并将其映射回它所代表的符号，从而恢复原始数据。为此，接收器必须将接收信号的相位与参考信号进行比较。这种系统被称为连贯的。

  1.4 天线    

    天线（或天线）是设计用于发射或捕获电磁波的电导体的布置。天线发射可由另一天线检测的信号的能力被称为无线电传播。天线根据工作频率制成一定的尺寸。来自2400 MHz无线电的天线无法在5800 MHz无线电上有效使用，反之亦然。但是，一种2400 MHz技术的天线，如Wi-Fi或蓝牙，可用于另一种2400 MHz技术，如Zigbee或Thread。参考特定的三维空间描述了两种基本类型的天线：

• 全向：在所有方向上均匀辐射

• 单向（也称为方向）：在一个方向上比在另一个方向上辐射更多。所有天线都在自由空间的所有方向上辐射一些能量，但仔细的构造会导致某些方向的能量大量传输，而其他方向辐射的能量可忽略不计。

  通常，由于网状网络的性质，期望全向天线提供尽可能多的通信路径。

    二、网络       

      2.1 基本概念：

  甲网络是计算机和连接在使得它们可以交换数据的方法的其它设备（如打印机和调制解调器）的系统。该数据可以是信息性的或面向命令的，或两者的组合。一个网络系统由硬件和软件组成。网络上的硬件包括物理设备，如计算机工作站，外围设备以及充当文件服务器，打印服务器和路由器的计算机。这些设备都称为网络上的节点。如果节点未全部连接到单个物理电缆，则特殊硬件和软件设备必须连接不同的电缆，以便将消息转发到其目标地址。一桥或中继器是不检查邮件的地址或决策，以一条消息把最好的路线连接网线的设备。相反，路由器包含寻址和路由信息，使其能够从消息的地址确定消息的最有效路由。在传送到目标目的地之前，可以将消息从路由器多次传递到路由器。为了使节点交换数据，它们必须使用一组共同的规则来定义数据的格式以及数据的传输方式。甲协议是一个正式组用于数据交换的程序规则。该协议还为网络互连节点之间的交互提供规则。网络软件开发人员在执行协议所需功能的软件应用程序中实现这些规则。路由器只有在使用相同的协议和地址格式时才能连接网络，而网关会转换地址和协议以连接不同的网络。这样的一组互连网络可以称为因特网，内联网，广域网（WAN）或其他专用网络拓扑。互联网一词通常用于指全球最大的网络系统，也称为万维网。用于实现万维网的基本协议称为Internet协议或IP。网络协议通常使用另一种更基本的协议的服务来实现其目的。例如，传输控制协议（TCP）使用IP封装数据并通过IP网络传输数据。使用底层协议服务的协议据说是较低协议的客户端; 例如，TCP是IP的客户端。以这种方式相关的一组协议称为协议栈。

    2.2 无线网络：

  无线网络模仿有线网络，但用无线电信号替换线路作为数据互连介质。协议基本上与有线网络中使用的相同，尽管添加了一些附加功能，因此两种类型的网络仍可互操作。然而，已经出现了无线网络，其没有需要互操作性的有线对应物。这些专用网络拥有自己的硬件和软件基础，​​可在其独特环境范围内实现可靠的网络连接。

注意：大多数网络协议在某种程度上都基于开放系统互连（OSI）模型。

  2.3 网络设备：

   Silicon Labs开发了网络硬件（EFR32xG和EM3x系列）和SDK（EmberZNet SDK，Silicon Labs Thread SDK，Flex SDK以及其他堆栈和应用程序开发工具），以便于实现用于传感和设备的无线个域网设备。控制应用。下图表示使用Silicon Labs网络技术之一的Zigbee的典型无线设备。RF数据调制解调器是负责在网络上发送和接收数据的硬件。微控制器代表计算机控制元件，它发起消息并响应收到的任何信息。传感器块可以是任何类型的传感器或控制设备。这样的系统可以作为网络上的节点存在而无需任何附加设备。具有兼容软件的任何两个这样的节点都可以形成网络。