千锋物联网之Zigbee – 乐创儿童编程

（转自https://www.bilibili.com/video/BV1FA411v7YW?p=652&spm_id_from =pageDriver&vd_source =e1e965c6d34ccad0cc6841ecb58eb4a5）

介绍

ZigBee译为”紫蜂”，是一种新兴的短距离无线通信技术，用于传感控制应用(Sensor and Control)，由IEEE 802.15工作组中提出，并由其TG4工作组制定基于802.15.4规范:
2001年8月，ZigBee Alliance成立。
2004年，ZigBee V1.0诞生，问题较多。
2006年，推出ZigBee 2006，比较完善。
2007年底，ZigBee PRO推出。
2009年3月，Zigbee RF4CE推出，具备更强的灵活性和远程控制能力。
2009年开始，Zigbee采用了IETF的IPv6 6Lowpan标准(IEEE 802.15.4g)。

特性

低功耗，相比目前的wifi蓝牙功耗更低。
低成本，协议栈免专利费，IC结构简化。
低速率，工作在20～250kbps的速率。
近距离，在不增加功率放大器的情况下，一般介于10~100米之间。
短时延，无论是唤醒还是入网都在毫秒级。
高容量，同一协调器最多管理65000+节点。
自组网，因移动或信号干扰断网后自组自愈。
高安全，支持AES128位对称加密通信。
免执照, 使用工业科学医疗(ISM)频段，915MHz(美国), 868MHz (欧洲)，2.4GHz(全球)。

供应商

组网形式

应用场景

需要数据采集或监控的网点多、地形复杂、需要较大的网络覆盖;
要求传输的数据量不大，但设备成本低;
要求数据传输可靠性高，安全性高。
设备体积小，不便放置较大的充电电池或者电源模块;
电池供电;
现有移动网络的覆盖盲区;
使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。
使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。

协议栈

从官方协议了解到，zigbee可以大致分为五层:
应用层APL：应用框架层AF，以及设备对象ZDO;
应用支持子层APS;
网络层NWK;
媒体访问控制层MAC;
物理层PHY;

物理层

PHY，从无线物理信道上为MAC层提供数据收发的服务:
启动和关闭RF收发器;
当前信道能量检测;
对接收到的数据报进行链路服务质量指示LQT(Link Quality Indication);
为CSMA/CA算法提供空闲信道评估CCA (Clear Channel Assessment);
对信道频率进行选择;
数据包的传输和接收。

MAC层

兼容IEEE802.15.4标准，保证协议数据正确收发:
全功能设备产生并发送信标帧(Beacon)。
普通设各根据全功能设备的信标帧进行同步。
支持PAN(个域网)的关联(Association)建立和取消关联(Disassociation)断开操作。
为设备的安全性提供支持。
使用CSMA/CA机制共享物理信道。
处理和维护时隙保障GTS(Guaranteed Time Slot)机制。
在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的数据链路。

网络层

NWK,为上昙提供数据服务(NLDE)和管理服务(NLME):
产生网络层的数据包:当网络层接受到来自应用子层的数据包，网络层对数据包进行解析，然后加上适当的网络层包头向MAC传输。
提供路由数据包的功能，如果包的目的节点是本节点的话，将该数据包向应用子层发送，如果不是，则将该数据包转发给路由表中下一结点。
提供入网器件的参数配置协议, 比如建立新的协调器并发起建立PAN网络或者加入一个已有的网络。
提供加入或脱离PAN网络的功能，如果节点是协调器或者是路由器，还可以要求子节点脱离网络。
如果本节点是协调器或者是路由器，则接入该节点的子节点的网络地址由网络层分配控制。
网络层能发现维护网络邻居信息，比如发现新节点。
网络层能控制接收器的接受时间和状态。

应用支持子层APS

APS，为ZDO访问NWK提供了通路:
APS层协议数据单元APDU的处理。
APSDE提供在同一个网络中的应用实体之间的数据传输机制。
APSME提供多种服务给应用对象，这些服务包括安全服务和绑定服务，并维护管理对象的数据库，也就是我们常说的AIB。

应用框架层AF

AF, 为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间:
为每个应用对象提供了键值对KVP服务和报文MSG服务两种服务供数据传输。
每个节点除了64位的IEEE地址，16位的网络地址外，AF还为每个节点提供了8位的应用层入口端点地址，对应于用户应用对象。
端点0用于整个ZigBee设备的配置和管理。
端点255用于向所有端点的广播(同一终端的不同应用)，区别于短地址广播(不同终端）。
端点1至240供用户自定义用于对象使用。
端点241-254保留将来使用。
每一个端点应用都对应一个配置文件(Profile)。Profile配置文件包括: 设备ID (Device ID)、事务集群ID(cluster ID)、属性ID (Attribute ID)等等。AF可以通过这些信息来决定服务类型。

ZDO

ZDO,是一个特殊的应用层的端点( Endpoint)，占用了端点0，它是应用层其他端点与应用子层管理实体之间交互的中间件, 它主要提供的功能有:
初始化应用支持子层，网络层。
发现节点和节点功能, 在无信标的网络中，加入的节点只对其父节点可见。
而其他节点可以通过ZDO的功能来确定网络的整体拓扑结构以及节点所能提供的功能。
安全加密管理, 主要包括安全key的建立和发送，以及安全授权。

Zigbee信道

channel，信道地址，对于2.4G刚好采用了32bit中间16位中为1的位表示该信道被启用(0x800~0x7fff800)。
panID，16bit网络地址，只有panID相司的设备才能组成一个网络。
MAC，由IEEE规定的64bit地址，类似网卡MAC必须唯一，又叫zigbee的长地址。
shortAddr，由父节点分配的16bit短地址，用于设备之间通信。
endPoint，是一个1-240的具体设备端点号，与应用相关。