做物联网和智能家居的朋友对ZigBee肯定不陌生，小米、绿米那些传感器和开关基本都是ZigBee协议的。跟WiFi和蓝牙比，ZigBee最大的特点就是低功耗、自组网、支持mesh网络，特别适合那种需要长期待机的电池供电传感器。今天就从拓扑结构、设备角色、实际搭建到常见问题，完整聊一遍ZigBee组网。

先说说ZigBee的三种网络拓扑。第一种是星型拓扑，所有终端设备都直接跟协调器通信，最简单但覆盖范围有限，协调器挂了整个网络就废了。第二种是树型拓扑，协调器下面挂路由器，路由器下面再挂终端设备或者其他路由器，层层级联，覆盖范围大一些，但数据转发路径是固定的，某一级断了下面的节点就都掉线。第三种是mesh网状拓扑，任何两个路由器之间只要有信号就能直接通信，自动选择最优路径转发数据包，某条路径断了会自动绕路，可靠性最高，也是实际应用中最常用的拓扑结构。

一个完整的ZigBee网络里有三种设备角色。第一个是协调器（Coordinator），每个网络里只能有一个，负责建网、分配网络地址、管理节点加入和退出，一般就是那个插电的网关设备。协调器启动时会扫描周围的2.4GHz信道，选一个信号最干净的信道，然后广播一个信标帧宣布网络建立，同时设定一个PAN ID（网络标识符）。第二个是路由器（Router），既能收发自己的数据，又能帮其他节点转发数据，相当于网络里的"中继站"。路由器需要持续供电，不能休眠，可以挂多个终端设备，也可以跟其他路由器互连形成mesh。第三个是终端设备（End Device），只能收发自己的数据，不能帮别人转发，功耗最低，可以用电池供电，大部分时间处于休眠状态，定时唤醒上报数据或者接收指令。

硬件选型方面，常用的ZigBee芯片有TI的CC2530（最经典，网上资料最多，8051内核，片上Flash从16KB到256KB不同型号）、CC2650/CC2652R（ARM Cortex-M3内核，性能更强，支持多协议），还有Silicon Labs的EFR32系列（低功耗做得特别好）。开发板推荐用TI的CC2530DK或者CC2650 LaunchPad，或者国内厂家做的ZigBee模块（比如TI Z-Stack协议栈的模块，淘宝上几十块钱一个），直接用串口AT指令配置就能工作，不用自己从零开发协议栈。

实际组网的步骤大概是这样的。第一步，烧录固件。协调器节点烧"Coordinator"固件，路由器节点烧"Router"固件，终端节点烧"End Device"固件。TI的Z-Stack协议栈有现成的例子工程，直接编译烧录就行。第二步，启动协调器，协调器上电后自动建网，选定信道和PAN ID，进入等待节点加入的状态。第三步，给路由器烧录完固件上电，路由器会扫描周围的ZigBee网络，发现协调器后自动请求加入，协调器分配一个16位网络地址给它，路由器就正式入网了。第四步，终端设备上电后也会扫描网络，选择信号最好的协调器或路由器作为"父节点"加入，获得网络地址。第五步，当网络里的路由器越来越多，就形成了一张mesh网，数据包可以通过多跳方式在节点之间传输，比如终端A的数据可以经过路由器B、路由器C、路由器D三跳到达协调器。

组网过程中有几个参数可以配置。信道（Channel）：ZigBee在2.4GHz频段有11到26个可选信道，选的时候最好用频谱仪或者类似WiFi Analyzer的工具扫一下周围信号，选一个干扰最小的。PAN ID：网络标识符，范围0x0000到0xFFFF，0xFFFF表示任何PAN ID都可以加入，实际部署时建议设一个固定值防止误连。发射功率：一般默认0dBm（1mW），空旷环境下覆盖几十米没问题，如果需要更远的距离可以调大发射功率，但功耗会上去。

几个常见的组网问题提前说一下。第一个是信道冲突，2.4GHz频段WiFi、蓝牙、ZigBee共用，如果家里WiFi设备多或者周围有其他ZigBee网络，可能会互相干扰。解决办法是把ZigBee网关放在离WiFi路由器远一点的地方，或者手动切换到一个干净的信道。第二个是电池寿命，终端节点用电池供电时，要合理设置休眠唤醒周期，唤醒越频繁耗电越快，一般传感器节点设置成30秒到5分钟唤醒一次上报数据就够了，用两节五号电池能跑一两年。第三个是穿墙能力，ZigBee的穿墙效果比WiFi好一点但也有限，一堵承重墙信号衰减一半以上，大面积户型或者有遮挡的场景需要多布几个路由器节点来中继。第四个是设备数量，理论上一个协调器能接65000多个节点，但实际家用网关一般也就支持几十个到上百个，别塞太多，节点太多网络延迟会变大甚至不稳定。

开发和调试方面，推荐用TI的SmartRF Studio和Packet Sniffer工具，前者可以配置芯片参数、测试射频性能，后者可以抓空中的ZigBee数据包分析通信流程，调试组网问题时特别有用。如果不想碰底层代码，也可以用现成的ZigBee模块配合串口AT指令来做应用开发，很多厂家的模块支持自定义Profile和Cluster，通过串口就能完成数据采集和上报的功能，适合快速原型验证。