按照计算机网络拓扑结构的概念,将参与网络通信的实体抽象为网络节点,它们之间的结构关系即称为网络拓扑,该照明控制系统中节点类型大体可分为四种：控制中心节点、网关节点、路由节点、终端节点,该系统节点构成的网络结构如图4.2所示。

图4.2　LED 智能照明控制系统节点组成

终端节点就是LED 智能照明控制系统中的普通单灯控制器,通常和被监控对象(LED 灯)安装在一起,向下直接控制LED 光源,实现LED 灯的开和关、亮度调节等,并通过各种传感器采集LED 灯的工作状态参数,如亮度、温度、电压、电流等；它向上通过ZigBee网络与路由节点进行通信,将现场采集的数据上传给路由节点,并接收上层通过路由节点发送来的控制命令,对LED 灯进行控制操作。但是任一终端节点不能与其他终端节点进行信息传递。终端节点在不收发数据时为休眠状态。

路由节点也就是智能单灯控制器,它是在终端节点设计的基础上增加了路由功能,所以它也可作为终端节点使用。当它作为路由节点时,则既可以向网关节点发送终端节点所采集到的路灯状态参数,也可以实现路由地址选择,将上层网关节点发送的命令或数据发送给相邻其他路由节点或下层终端节点。

集中控制器(协调器)作为网关节点,实现控制中心与路由节点之间的通信功能,承担建立和管理ZigBee网络的功能并实现网络协议转换。

控制中心节点远程控制计算机或手机,处于较远的位置,起监控、管理和发送命令的作用。

在LED 智能照明控制系统中,整个控制系统的网络构成主要是采用互联网和近距离无线网相结合的形式,网络被分成主干网和二级子网两层,控制中心节点与网关节点之间相当于主干网,其具体网络形式可以是广域网、局域网或者GPRS网；而网关节点与路由节点或终端节点之间的通信则通过近距离无线网来实现,我们可以将网关节点以下的无线通信部分看作一个通信子网,在这个通信子网中所采用的具体网络通信形式及拓扑结构对系统的性能及成本起到至关重要的作用,ZigBee就是一种比较合适的近距离无线通信方式。

ZigBee+Internet/GPRS物联网技术凭借广泛的覆盖性、高效性、精确性、高可靠性、节约性和智能性,符合LED 智能照明控制发展的趋势,不仅可以满足LED 智能照明管理平台的控制、监视、测量和报警等要求,也能为LED 智能照明管理平台后续功能复杂化,融入智慧城市,实现单一的业务服务向综合性服务体系的转变、实现社会公共服务向民生应用领域的延伸提供可行性。在这种组网形式下,主干网运行的是TCP/IP协议,通过Internet或GPRS 连接；二级子网运行的是ZigBee协议,由于两级网络分别使用不同的协议,因此,需要网关节点完成协议的转换,以实现两级网络之间数据的透明传输,这个网关节点就是由集中控制器来担当的。

广域网或局域网的拓扑结构在计算机网络的相关理论中已有详尽论述,下面就ZigBee无线网络的拓扑结构做一简单介绍。

ZigBee网络拓扑结构有三种：星型网络拓扑、树型网络拓扑、网状型网络拓扑。

1.星型网络拓扑结构

星型网络拓扑结构由一个协调器节点和若干个终端节点或路由节点构成,如图4.3所示。(www.daowen.com)

星型网络拓扑结构中协调器作为网络的中心节点,任何两个终端节点或路由节点之间的通信都要经过协调器节点。星型网络拓扑结构简单,易于实现,便于管理。但是,协调器节点负担很重,是信息传输的瓶颈,容易造成网络拥堵,从而丢失数据。星型网络拓扑结构适用于小型的数据收集或控制系统中。

要注意,只有FFD 设备(Full Function Device,完整功能设备)才能作为协调器节点。FFD 设备是指可提供全部的IEEE 802.15.4 MAC 服务的设备,它不仅可以发送和接收数据,还具备路由功能；而RFD 设备(Reduced Function Device,精简功能设备)只提供部分的IEEE 802.15.4 MAC 服务,它只负责将采集的数据信息发送给协调器节点和路由节点,并不具备数据转发、路由发现和路由维护等功能,因此,只能充当终端节点,而不能充当协调器节点和路由节点。协调器节点的功能是创建网络并对整个网络的地址和数据进行管理,而RFD 设备通常为别的节点,分布在网络覆盖的范围内,能够与协调器节点进行通信。

图4.3　星型网络拓扑结构

2.树型网络拓扑结构

在树型网络拓扑结构中,节点按层次进行连接。树型网络拓扑结构也是由协调器节点和终端节点或路由节点构成的,也是选用FFD作为协调器节点,它能够连接多个路由子节点和终端子节点。而路由子节点,也应是FFD,亦能够连接其他路由器和终端设备作为它的子节点,形成层级的网络结构。终端设备是叶子节点,没有子节点。信息交换在上、下层节点之间进行,下层相邻节点之间信息的交互需通过共有的父节点进行,没有直接联系的子节点之间进行通信则需要借助树状路由转发信息。树型拓扑可以看成是星型拓扑的一种扩展,树状网络随着传输距离的增加,传输延迟也会相应增大,适用于中等覆盖范围、数据量不太大的场合。树型网络拓扑结构如图4.4所示。

图4.4　树型网络拓扑结构

3.网状型网络拓扑结构

网状型网络拓扑结构与树型网络拓扑结构相似,用FFD 来接收和发送数据,RFD 的数据依然要通过父节点转发,不同之处在于网状型网络拓扑结构的两两路由节点间可以互相通信,网络结构更加灵活,两个节点之间存在多条路由路径,当一个路径出现故障时,可以选择其他路径,具有自我组织、自我修复能力,可靠性好。这种拓扑结构比较复杂,必须采用路由选择算法与流量控制方法,路由节点和协调器节点必须同时处于收发状态,功耗相对较高。网状型网络拓扑结构适用于覆盖范围广、数据量要求高的工业控制和远程监测场合,其网络拓扑结构如图4.5所示。

为了提高LED 智能照明系统网络控制的可靠性,ZigBee通信网宜采用网状型网络拓扑结构,这样可以减缓数据传输延时,增强网络的“自愈”能力。借助路由中转节点,ZigBee无线传感网络中的数据信息可以实现多条网络传输。

图4.5　网状型网络拓扑结构