星型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的兩種基本架構(gòu)。

隨著藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)近受到關(guān)注，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在未來(lái)幾年可能會(huì)變得更加普遍，特別是在數(shù)千個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)必須跨地理區(qū)域進(jìn)行通信的應(yīng)用中。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以促進(jìn)樓宇自動(dòng)化、能源管理、工業(yè)自動(dòng)化和資產(chǎn)管理等應(yīng)用。

為了突出網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)和局限性，本文深入討論了星形和網(wǎng)狀拓?fù)涞幕咎卣鳌Ｈ缓笠缘湫偷?Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)為例。在以后的文章中，我們將單獨(dú)研究藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

選擇正確的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用有多種不同的無(wú)線連接解決方??案?？紤]到廣泛的使用，選擇正確的無(wú)線連接解決方??案來(lái)滿足給定物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的要求可能相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性。

選擇連接解決方??案時(shí)，應(yīng)考慮范圍、數(shù)據(jù)速率、安全性、功耗和可擴(kuò)展性等各種因素。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?mdash;—傳感器、執(zhí)行器和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)如何排列或相互連接——是影響網(wǎng)絡(luò)性能的另一個(gè)重要因素。

物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的兩種基本架構(gòu)是星形連接和網(wǎng)狀連接。

星形拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

圖 1 描述了星形拓?fù)洹?/p>

起始地形的表示。

圖 1. 起始拓?fù)涞谋硎尽D片由德州儀器 (TI)提供

星形網(wǎng)絡(luò)由所有其他節(jié)點(diǎn)連接的中央集線器組成。節(jié)點(diǎn)通過(guò)中央集線器相互通信，在大多數(shù)情況下，中央集線器也是通往互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。

家庭 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)是一種熟悉的星形拓?fù)?，其中手機(jī)、平板電腦和打印機(jī)都連接到中央集線器（無(wú)線接入點(diǎn)）。該中央集線器既充當(dāng)本地網(wǎng)絡(luò)中的路由器，又充當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。

由于集線器負(fù)責(zé)沿著星形網(wǎng)絡(luò)分發(fā)數(shù)據(jù)包，消息可以通過(guò)單“跳”（節(jié)點(diǎn)和集線器之間的數(shù)據(jù)傳輸）或兩個(gè)“跳”（兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)集線器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸）到達(dá)目的地。中心）。此功能可帶來(lái)具有一致且可預(yù)測(cè)性能的快速網(wǎng)絡(luò)。

另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，基于星形拓?fù)涞奈锫?lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可以輕松識(shí)別和隔離故障節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己與集線器的單獨(dú)連接。

然而，由于數(shù)據(jù)包必須經(jīng)過(guò)中心節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)存在單點(diǎn)故障。如果中心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將不復(fù)存在。

無(wú)線星形連接的另一個(gè)主要限制是所有節(jié)點(diǎn)都應(yīng)位于中央節(jié)點(diǎn)的直接無(wú)線電覆蓋范圍內(nèi)。這限制了網(wǎng)絡(luò)的物理大小。

此外，星形網(wǎng)絡(luò)不具備繞過(guò)射頻障礙物或高射頻干擾環(huán)境的靈活性。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的情況并非如此，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通常在每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間包含多個(gè)路由路徑，我們將很快討論。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)具有更靈活的布局，并且更有可能繞過(guò)射頻障礙物。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)：全網(wǎng)狀和部分網(wǎng)狀拓?fù)?/p>

在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以直接與多個(gè)其他節(jié)點(diǎn)通信。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)有兩種類型：全網(wǎng)狀和部分網(wǎng)狀。

在全網(wǎng)狀拓?fù)渲?，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以直接與網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)其他節(jié)點(diǎn)通信。

在部分網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，如圖 2 所示，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以直接連接到網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)或多個(gè)其他節(jié)點(diǎn)，但不一定連接到網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)其他節(jié)點(diǎn)。

部分網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格的表示。

圖 2. 部分網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)格的表示。圖片由德州儀器 (TI)提供

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用通常使用部分網(wǎng)狀拓?fù)鋪?lái)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)范圍，我們將在下面討論。

在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以充當(dāng)中繼器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)據(jù)。因此，每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間都有幾條不同的路徑。這種冗余提高了網(wǎng)絡(luò)的彈性；如果一條路徑發(fā)生故障，則可以使用替代路徑通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳播數(shù)據(jù)。

由于節(jié)點(diǎn)能夠充當(dāng)中繼器，因此不在彼此直接無(wú)線電范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)仍然可以通過(guò)路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。這是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗试S用戶將網(wǎng)絡(luò)范圍擴(kuò)展到單個(gè)無(wú)線電的范圍之外。

缺點(diǎn)是通信的多跳特性會(huì)增加通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳播數(shù)據(jù)包的延遲。

跳躍計(jì)數(shù)，因此網(wǎng)絡(luò)延遲是數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)的路由器數(shù)量的函數(shù)。這使得評(píng)估網(wǎng)絡(luò)性能比簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)（例如上面討論的星形拓?fù)洌└訌?fù)雜。

在這種情況下，可以使用服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 指標(biāo)：在指定持續(xù)時(shí)間（例如 300 毫秒）內(nèi)到達(dá)終目的地的傳輸數(shù)據(jù)包的比率。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點(diǎn)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)一些路由算法，以有效地將數(shù)據(jù)包傳送到目的地。為了實(shí)現(xiàn)這些路由功能，路由節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具有更多的處理能力和內(nèi)存，這增加了這些節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜性和成本。

適用于星形、樹(shù)形和網(wǎng)狀拓?fù)涞?Zigbee 協(xié)議

Zigbee 是一種開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，旨在滿足低成本、低功耗無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的需求。

Zigbee 基于 IEEE 802.15.4 鏈路層，工作在免許可頻段，包括 2.4 GHz、900 MHz 和 868 MHz。ZigBee 支持星形、樹(shù)形和網(wǎng)狀拓?fù)洹?/p>

典型的 Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)如圖 3 所示。

Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

圖3 . Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的示例。圖片由SM 宋 WJ Yao 提供

Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線電扮演著不同的角色。節(jié)點(diǎn)可以是協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器設(shè)置網(wǎng)絡(luò)并允許路由器和終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。除了創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)之外，協(xié)調(diào)員還負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)的安全。

路由器節(jié)點(diǎn)始終偵聽(tīng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收到的路由信息??。這些節(jié)點(diǎn)通常由主電源供電。

，終端設(shè)備是不路由信息的節(jié)點(diǎn)。這些設(shè)備保持睡眠模式以節(jié)省電量，并且僅短暫?jiǎn)拘岩暂喸兤涓改覆@取已發(fā)送給他們的消息。

終端設(shè)備通常是電池供電的節(jié)點(diǎn)。

Zigbee 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)配置（自形成）。

此外，當(dāng)節(jié)點(diǎn)離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)或出現(xiàn)故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)新的節(jié)點(diǎn)組合重新配置路由路徑。這種自我修復(fù)功能提高了網(wǎng)絡(luò)在變化條件下的穩(wěn)定性。