Zigbee 是一种基于 IEEE 802.15.4 标准的低功耗、低速率、近距离的无线通信技术，它专门为需要电池供电、长续航时间的物联网设备（如传感器、开关、智能灯泡等）而设计，其网络的核心优势在于其灵活的拓扑结构，能够根据应用场景的需求进行扩展和优化。
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Zigbee 网络主要有三种基本的拓扑结构，Zigbee 协议栈（特别是 Zigbee 3.0）引入了 网状网络 的概念，使其具备了强大的自愈和扩展能力。
三种基本拓扑结构
星型网络
这是最简单、最常见的拓扑结构，非常适合家庭和小型办公环境。
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结构描述：
- 网络中有一个中心节点，称为 协调器。
- 所有其他设备（称为终端设备 或 路由器）都直接与这个协调器通信。
- 终端设备之间不直接通信,所有数据都必须通过协调器进行转发。
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工作原理：
（图片来源网络，侵删）- 网络建立：协调器首先启动，选择一个信道和网络标识符，创建并管理整个网络。
- 设备加入：终端设备或路由器上电后，会搜索网络，发现协调器并发送加入请求，协调器批准后，设备成为网络的一员。
- 数据传输：当终端设备 A 要发送数据给终端设备 B 时，数据会先发送给协调器，然后由协调器转发给设备 B。
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优点：
- 结构简单：易于理解和部署。
- 管理方便：所有设备都直接受控于中心节点（协调器），便于管理和维护。
- 路由简单：数据路径唯一，不存在复杂的路由计算。
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缺点：
- 单点故障：如果协调器发生故障或断电，整个网络将瘫痪，所有设备都无法通信。
- 覆盖范围有限：所有设备都必须在协调器的直接通信范围内（通常为 10-100 米），距离过远会导致无法连接。
- 性能瓶颈：协调器需要处理所有数据，可能成为网络性能的瓶颈。
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典型应用：
- 智能家居（如通过一个网关控制所有智能灯泡、开关）。
- 小型办公室的设备监控。
树型网络
树型网络是星型网络的扩展,它引入了父节点和子节点的概念，形成层级结构。
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结构描述：
- 网络的根节点是协调器。
- 协调器可以连接多个设备,这些设备成为路由器。
- 每个路由器又可以连接更多的路由器或终端设备,形成一棵“树”。
- 数据传输遵循层级关系,只能在父子节点之间或同层级的兄弟节点之间进行。
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工作原理：
- 设备在加入网络时,会选择信号最好的父节点加入，父节点会为其分配一个短地址（网络内的唯一ID）。
- 数据从子节点向上发送到父节点,再逐层向上，直到到达目标节点或协调器，向下传输则相反。
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优点：
- 扩展了覆盖范围：通过层级结构，网络覆盖范围比星型网络更广。
- 减少了协调器的负担：大部分路由工作由中间的路由器完成。
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缺点：
- 路径非最优：数据传输的路径可能不是最短的，因为必须遵循树形结构，导致延迟增加。
- 单点故障依然存在：如果某个父节点故障，其所有子节点都会与网络失联。
- 灵活性差：网络结构相对固定，动态调整能力弱。
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典型应用：
大型农业大棚的环境监测传感器部署。
网状网络
网状网络是 Zigbee 最强大、最灵活的拓扑结构，也是 Zigbee 3.0 推荐的默认结构。
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结构描述：
- 网络中不仅有协调器和终端设备,还有大量的路由器。
- 任何两个设备之间,只要在彼此的通信范围内，都可以直接通信。
- 路由器之间可以相互通信,形成一个动态的、冗余的“网”。
- 终端设备可以选择只与一个父节点（路由器或协调器）通信，以节省电量。
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工作原理：
- 路由发现：当一个设备需要向另一个不在其直接通信范围内的设备发送数据时，它会发起一个路由发现过程，网络中的路由器会像接力一样，找到一条或多条从源到目的地的路径。
- 多路径与自愈：网状网络的最大优势在于其冗余性，如果某条路径上的某个路由器发生故障或信号变差，设备会自动重新计算并选择另一条可用的路径，保证通信不中断，这就是自愈能力。
- 中继：每个路由器都可以作为中继节点，帮助其他设备转发数据，从而极大地扩展了整个网络的覆盖范围。
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优点：
- 高可靠性：多条冗余路径，单点故障不会导致网络中断。
- 覆盖范围广：通过多跳中继，可以轻松覆盖非常大的区域。
- 自组织与自愈：网络可以自动管理，设备可以动态加入和离开，网络具备自我修复能力。
- 路径最优：路由算法会选择最短、最优的路径进行数据传输。
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缺点：
- 协议复杂：需要更复杂的路由协议来管理路径选择和更新。
- 设备要求高：路由器需要持续供电（因为它们需要中继数据），不适合电池供电的终端设备。
- 网络建立和维护开销：需要更多的计算和通信来维护路由表。
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典型应用：
- 大型智能楼宇（如酒店、医院）的智能照明和楼宇自动化系统。
- 智慧城市中的智能电表、环境监测站等。
- 工业物联网中的设备监控。
Zigbee 网络中的角色
理解拓扑结构,必须先理解 Zigbee 网络中的三种核心角色：
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协调器：
- 作用：网络的“大脑”和“创始人”，负责启动网络、分配网络地址、管理网络设备、存储安全密钥等。
- 数量：一个网络中只有一个协调器。
- 供电：必须持续供电。
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路由器：
- 作用：网络的“骨干”和“邮局”，负责允许其他设备加入网络、中继数据、扩展网络覆盖范围。
- 数量：可以有多个，甚至没有（在纯星型网络中）。
- 供电：必须持续供电，因为需要随时准备转发数据。
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终端设备：
- 作用：网络的“传感器”和“执行器”，如温湿度传感器、开关、灯泡等，它们是网络的功能来源。
- 数量：可以有大量终端设备。
- 供电：通常由电池供电，为了省电，大部分时间处于休眠状态，只在需要通信时唤醒，它们必须连接到一个父节点（协调器或路由器）才能通信。
总结与对比
| 特性 | 星型网络 | 树型网络 | 网状网络 |
|---|---|---|---|
| 结构 | 所有设备连接到中心协调器 | 层级结构，父-子关系 | 设备间任意连接，多路径 |
| 可靠性 | 低（协调器单点故障） | 中（父节点故障影响子节点） | 高（冗余路径，自愈） |
| 覆盖范围 | 小 | 中 | 大 |
| 扩展性 | 差 | 中 | 强 |
| 复杂度 | 低 | 中 | 高 |
| 功耗 | 终端设备可低功耗 | 终端设备可低功耗 | 路由器需持续供电，终端设备可低功耗 |
| 典型应用 | 家庭小规模组网 | 中等规模传感器部署 | 大规模、高可靠性要求的场景 |
在实际应用中,Zigbee 网络很少是纯粹的某一种拓扑结构。Zigbee 3.0 默认采用的就是网状网络拓扑，但它会根据设备的能力（是路由器还是终端设备）和部署环境，自动形成一种混合结构。
在一个智能家居中：
- 一个 Zigbee 协调器/网关作为中心。
- 每个房间的墙壁上可能安装一个 Zigbee 路由器（如智能开关、智能插座），它不仅自身功能，还负责中继信号。
- 房间里的 Zigbee 终端设备（如温湿度传感器）连接到最近的路由器上。
- 这样,即使某个路由器与协调器的直接信号不好，数据也可以通过其他房间的路由器中继过去，形成了一个灵活、可靠的网状网络。
