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ZigBee,也称紫蜂,是一种低速短距离传输的无线网上协议,底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。 展开全文
ZigBee,也称紫蜂,是一种低速短距离传输的无线网上协议,底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。
信息
全球频段
2.4GHz(全球使用)
欧洲频段
868MHz
北美频段
915MHz
中文名
紫蜂协议
标    准
IEEE802.15.4
外文名
ZigBee
zigbee简介
ZigBee是一项新型的无线通信技术,适用于传输范围短数据传输速率低的一系列电子元器件设备之间。 ZigBee无线通信技术可于数以千计的微小传感器相互间,依托专门的无线电标准达成相互协调通信,因而该项技术常被称为Home RF Lite无线技术、FireFly无线技术。ZigBee无线通信技术还可应用于小范围的基于无线通信的控制及自动化等领域,可省去计算机设备、一系列数字设备相互间的有线电缆,更能够实现多种不同数字设备相互间的无线组网,使它们实现相互通信,或者接入因特网。 [1]  ZigBee译为"紫蜂",它与蓝牙相类似。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工作组制定规范。ZigBee无线通信技术是基于蜜蜂相互间联系的方式而研发生成的一项应用于互联网通信的网络技术。 相较于传统网络通信技术,ZigBee无线通信技术表现出更为高效、便捷的特征。作为一项近距离、低成本、低功耗的无线网络技术,ZigBee无线通信技术其关于组网、 安全及应用软件方面的技术是基于IEEE批准的802 15.4无线标准。该项技术尤为适用于数据流量偏小的业务,可尤为便捷地在一系列固定式、便携式移动终端中进行安装,与此同时,ZigBee无线通信技术还可实现GPS功能。 [1]  ZigBee技术本质上是一种速率比较低的双向无线网络技术,其由IEEE.802.15.4无线标准开发而来,拥有低复杂度和短距离以及低成本和低功耗等优点。其使用了2.4GHz频段,这个标准定义了ZigBee技术在IEEE.802.15.4标准媒体上支持的应用服务。ZigBee联盟的主要发展方向是建立一个基础构架,这个构架基于互操作平台以及配置文件,并拥有低成本和可伸缩嵌入式的优点。搭建物联网开发平台,有利于研究成果的转化和产学研对,是实现物联网的 简单途径。 [2] 
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  • 好好的看吧,亲们,zigbee初学是会有一定的迷茫的,不过,看了这个,你就会豁然开朗的
  • zigbee学习笔记(一)之 zigbee简介

    千次阅读 多人点赞 2019-12-16 21:29:29
    近期在学习zigbee这一方面的东西,特将自己的学习的一些过程写下来,很多都是一些自己的见解,因为初次接触这一方面,有不对的地方,还请见谅! zigbee学习笔记(一) zigbee简介 1、什么是zigbeezigbee是协议...

    近期在学习zigbee这一方面的东西,特将自己的学习的一些过程写下来,很多都是一些自己的见解,因为初次接触这一方面,有不对的地方,还请见谅!

    zigbee学习笔记(一) zigbee简介

    1、什么是zigbee?

    zigbee是协议,类似于蓝牙、WiFi等等;它是一种标准,该标准定义了短距离、低数据传输速率无线通信的所需要的一系列的通信协议。

    2、zigbee无线网络工作的三个频率 868MHZ、915MHZ、2.4GHZ

    3、不同的工作频率下有不同的数据传输速率,每个频段由分为若干个信道

    4、zigbee无线网络一共分为5层,分别是:物理层(PHY)、介质访问控制层(MAC)、网络层(NWK)、应用程序支持子层(APS)、应用层(APL)

    其中物理层和介质访问层由IEEE802.15.4规范定义 其余三层由zigbee协议定义。

    5、zigbee协议的特点:高可靠性、低成本、低功耗、高安全性、低数据速率

    6、zigbee协议和z-stack协议栈的关系:z-stack是具体实现zigbee协议的一个软件,也可以把他看成一个封装好了的函数库,他具体实现了zigbee协议。通常的应用开发

    都是基于这个协议栈进行二次开发,通过调用协议栈里面的函数,实现我们具体要实现的功能。

    7、zigbee网络中一共有三种设备:

    ①协调器:负责搭建起zigbee网络,搭建玩之后,他就和普通的路由器一样

    ②路由器:起路由功能

    ③终端节点:只负责和自己的父节点通信

    三种设备其实在硬件上是一样的,只不过是在软件烧写进去得时候,我们配置不一样的软件进去,这个我们会在后面具体介绍,在这里我们只需要有这样一个感性的认识

    就行;

    8、zigbee网络中的三种拓扑结构 分别为星形拓扑结构、树形拓扑结构和网形拓扑结构。

     

    星形拓扑结构

     

    星形网络是ZigBee的最小型网络,由一个协调器和若干个终端构成(星形结构不支持路由器)。优点是结构简单和数据传输速度快,其缺点是网络中的节点数少且通

    信距离短,一般用于构成小型网络。星形网络的最大缺点是对协调器的要求很高,一旦协调器出现故障或掉电,整个网络将瘫痪。

    树形拓扑结构

    树形网络结构是由协调器、路由器(也可承担终端的功能)和终端组成,网络结构比星形结构复杂。其优点是网络的节点数多,可组成大规模ZigBee网络,数据传输

    的速度比网形网络快,而且当网络组建完成后可不再依赖协调器,即使将协调器撤出网络仍可正常运行。其缺点是网络的安全性较差,即当一个路由器出现故障时,该路由器下

    的子节点将无法通信,协调器下的网络节点可以是路由器,也可以是终端,每个路由器下仍可以是路由器或终端,上一级节点和其下一级节点形成父子关系。

    网形拓扑结构

    网形网络结构是由协调器、路由器(也可承担终端的功能)和终端组成,其网络结构比树形网络结构复杂。其缺点是通信速度一般会低于树形网络结构,优点是网络的

    节点多,可组成大规模ZigBee网络,而且当网络组建完成后可不再依赖协调器,即使将协调器撤出,网络仍可正常运行。网形网络结构的最大优点是网络的安全性优于树形网络

    结构,即当一个路由器出现故障时可能不会影响其子节点的通信(条件是该子节点的附近有其它路由器)。

    这三种拓扑结构在网络结构上有一定的区别,特别是在后面的网内地址计算的时候需要注意

    9、zigbee网络的网络号、网内地址、Mac地址

    网络号是只某个zigbee网络的网络号,网内地址是在某个zigbee网内部,用于区分不同设备的地址,称为网络地址,也称为短地址(16位),

    Mac地址是每个芯片的硬件地址,是芯片在制作的时候就固定的全球唯一的64位地址,也称长地址。

     

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  • ZigBee基础知识(一)

    千次阅读 2019-02-22 00:39:12
    1.1 ZigBee定义 物联网的定义是:通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物体与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物体的智能化识别、定位、...

    1.1 ZigBee定义

    物联网的定义是:通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物体与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

    ZigbeeIEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

    无线传感网络的无线通信技术可以采用ZigBee技术、蓝牙、 Wi-Fi和红外等技术。 ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术,是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的通信技术。

     

    1.2 IEEE 802.15.4标准概述

    IEEE 802.15.4是一个低速率无线个人局域网(Low Rate Wireless PersonalArea NetworksLR-WPAN)标准。该标准定义了物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC)。这种低速率无线个人局域网的网络结构简单、成本低廉、具有有限的功率和灵活的吞吐量。低速率无线个人局域网的主要目标是实现安装容易、数据传输可靠、短距离通信、极低的成本、合理的电池寿命,并且拥有一个简单而且灵活的通信网络协议。

    LR-WPAN网络具有如下特点:
    实现 250kb/s40kb/s20kb/s 三种传输速率。
    支持星型或者点对点两种网络拓扑结构。
    具有 16 位短地址或者 64 位扩展地址。
    支持冲突避免载波多路侦听技术(carrier sense multiple access with collision avoidanceCSMA-CA)
    用于可靠传输的全应答协议。
    低功耗。
    能量检测(Energy DetectionED)
    链路质量指示(Link Quality IndicationLQI)
    2450MHz 频带内定义了 16 个通道;在 915MHz 频带内定义了 10 个通道;在 868MHz 频带内定义了 1个通道。

    为了使供应商能够提供最低可能功耗的设备,IEEE(Institute ofElectrical and Electronics Engineers,电气及电子工程师学会)定义了两种不同类型的设备:一种是完整功能设备(fullfunctional deviceFFD),另一种是简化功能设备(reducedfunctional deviceRFD)

     

    ​​​​​​​1.3 ZigBee 协议体系结构

    ZigBee协议栈建立在IEEE 80215 4PHY层和MAC子层规范之上。它实现了网络层(networklayerNWK)和应用层(applicationlayerAPL)。在应用层内提供了应用支持子层(application support sub—layerAPS)ZigBee设备对象(ZigBee Device ObjectZDO)。应用框架中则加入了用户自定义的应用对象

     

    ZigBee 的体系结构由称为层的各模块组成。每一层为其上层提供特定的服务:即由数据服务实体提供数据传输服务;管理实体提供所有的其他管理服务。每个服务实体通过相应的服务接入点(SAP)为其上层提供一个接口,每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。 ZigBee 协议的体系结构如下图所示

     

    物理层( PHY
    物理层定义了物理无线信道和 MAC 子层之间的接口,提供物理层数据服务和
    物理层管理服务。
    物理层内容:
    1)ZigBee 的激活;
    2)当前信道的能量检测;
    3)接收链路服务质量信息;
    4)ZigBee 信道接入方式;

    5)信道频率选择;
    6)数据传输和接收。

     

    介质接入控制子层(MAC
    MAC层负责处理所有的物理无线信道访问,并产生网络信号、同步信号;支持PAN连接和分离,提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。
    MAC层功能:
    1)网络协调器产生信标;
    2)与信标同步;
    3)支持 PAN(个域网)链路的建立和断开;
    4)为设备的安全性提供支持;
    5)信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入(CSMA-CA)机制;
    6)处理和维护保护时隙(GTS)机制;
    7)在两个对等的 MAC 实体之间提供一个可靠的通信链路。

     

    网络层(NWK
    ZigBee协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能。
    网络层功能:
    1)网络发现;
    2)网络形成;
    3)允许设备连接;
    4)路由器初始化;
    5)设备同网络连接;
    6)直接将设备同网络连接;
    7)断开网络连接;
    8)重新复位设备;
    9)接收机同步;
    10)信息库维护。

     

    应用层(APL
    ZigBee应用层框架包括应用支持层(APS) ZigBee设备对象(ZDO)和制造商所定义的应用对象。
    应用支持层的功能包括:维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。
    ZigBee设备对象的功能包括:定义设备在网络中的角色(ZigBee协调器和终端设备),发起和响应绑定请求,在网络设备之间建立安全机制。 ZigBee设备对象还负责发现网络中的设备,并且决定向他们提供何种应用服务。
    ZigBee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外,一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。

     

    应用程序框架(AF):
    运行在ZigBee协议栈上的应用程序实际上就是厂商自定义的应用对象,并且遵循规范(profile)运行在端点1~ 240上。在ZigBee应用中,提供2种标准服务类型:键值对(KVP
    或报文(MSG
    设备对象(ZDO):
    ZigBee设备对象(ZDO)的功能包括负责定义网络中设备的角色,如:协调器或者终端设备。还包括对绑定请求的初始化或者响应,在网络设备之间建立安全联系等。实现这些功能,ZDO使用APS层的APSDE-SAP和网络层的NLME-SAP ZDO是特殊的应用对象,它在端点(entire)0上实现。远程设备通过ZDO请求描述符信息,接收到这些请求时,ZDO会调用配臵对象获取相应描述符值。

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  • ZigBee组网原理详解

    万次阅读 多人点赞 2019-10-09 09:19:29
    组建一个完整的zigbee网状网络包括两个步骤:网络初始化、节点加入网络。其中节点加入网络又包括两个步骤:通过与协调器连接入网和通过已有父节点入网。 ZigBee网络中的节点主要包含三个:终端节点、路由器节点、...
    • 1.组网概述

    组建一个完整的zigbee网状网络包括两个步骤:网络初始化、节点加入网络。其中节点加入网络又包括两个步骤:通过与协调器连接入网和通过已有父节点入网。

        ZigBee网络中的节点主要包含三个:终端节点、路由器节点、PAN协调器节点;其功能如下:

        协调器节点:ZigBee协调器是网络各节点信息的汇聚点,是网络的核心节点,负责组建、维护和管理网络,并通过串口实现各节点与上位机的数据传递;ZigBee协调器有较强的通信能力、处理能力和发射能力,能够把数据发送至远程控制端。

        路由器节点:负责转发数据资料包,进行数据的路由路径寻找和路由维护,允许节点加入网络并辅助其子节点通信;路由器节点是终端节点和协调器节点的中继,它为终端节点和协调器节点之间的通信进行接力。

        终端节点:终端节点可以直接与协调器节点相连,也可以通过路由器节点与协调器节点相连。

    • 2. 网络初始化预备

    Zigbee网络的建立是由网络协调器发起的,任何一个zigbee节点要组建一个网络必须要满足以下两点要求:

    (1)节点是FFD节点,具备zigbee协调器的能力;

    (2)节点还没有与其他网络连接,当节点已经与其他网络连接时,此节点只能作为该网络的子节点,因为一个zigbee网络中有且只有一个网络协调器。

    FFD:Full Function Device 全功能节点

    RFD:Reduced FunctionDevice 半功能节点

    全功能设备(FFD):设备可提供全部的IEEE 802.15.4 MAC服务,可充当热河ZigBee设备,因此FFD设备不仅可以发送和接收数据,还具备路由功能。

    精简功能设备(RFD):设备只提供部分的IEEE 802.15.4 MAC服务,智能充当终端节点,不能充当协调点和路由节点,因此它只负责将采集的数据信息发送给协调点和路由点,并不具备数据转发、路由发现和路由维护等功能。

     

     

    • 3.网络初始化流程

    ZigBee网络初始化只能是由网络协调器发起的,在组建网络前,需要判断本节点还没与其他网络连接,如果节点已经与其他网络连接时,此节点只能作为该网络的子节点。一个ZigBee网络中有且仅有一个ZigBee协调器,一旦网络建立好了,协调器就退化成路由器的角色,甚至是可以去掉协调器的,这一切得益于ZigBee网络的分布式特性。

    • 3.1 确定网络协调器:

    首先判断节点是否是FFD节点,接着判断此FFD节点是否在其他网络里或者网络里是否已经存在协调器。通过主动扫描,发送一个信标请求命令(Beaconrequest command),然后设置一个扫描期限(T_scan_duration),如果在扫描期限内都没有检测到信标,那么就认为FFD在其pos内没有协调器,那么此时就可以建立自己的zigbee网络,并且作为这个网络的协调器不断地产生信标并广播出去。

    注意:一个网络里,有且只能有一个协调器(coordinator)。

    • 3.2 进行信道扫描过程

    包括能量扫描和主动扫描两个过程:首先对指定的信道或者默认的信道进行能量检测,以避免可能的干扰。以递增的方式对所测量的能量值进行信道排序,抛弃那么些能量值超出了可允许能量水平的信道,选择可允许能量水平的信道并标注这些信道是可用信道。接着进行主动扫描,搜索节点通信半径内的网络信息。这些信息以信标帧的形式在网络中广播,节点通过主动信道扫描方式获得这些信标帧,然后根据这些信息,找到一个最好的、相对安静的信道,通过记录的结果,选择一个信道,该信道应存在最少的zigbee网络,最好是没有zigbee设备。在主动扫描期间,MAC层将丢弃PHY层数据服务接收到的除信标以外的所有帧。

    • 3.3 设置网络ID

    找到合适的信道后,协调器将为网络选定一个网络标识符(PAN ID,取值《=0x3FFF),这个ID在所使用的信道中必须是唯一的,也不能和其他zigbee网络冲突,而且不能为广播地址0xFFFF(此地址为保留地址,不能使用)。PAN ID可以通过侦听其他网络的ID然后选择一个不会冲突的ID的方式来获取,也可以人为的指定扫描的信道后,来确定不和其他网络冲突的PAN ID。

    在zigbee网络中有两种地址模式:扩展地址(64位)和短地址(16位),其中扩展地址由IEEE组织分配,用于唯一的设备标识;短地址用于本地网络中设备标识,在一个网络中,每个设备的短地址必须唯一,当节点加入网络时由其父节点分配并通过使用短地址来通信。对于协调器来说,短地址通常设定为0x0000。

    上面步骤完成后,就成功初始化了zigbee网状网络,之后就等待其他节点的加入。节点入网时将选择范围内信号最强的父节点(包括协调器)加入网络,成功后将得到一个网络短地址并通过这个地址进行数据的发送和接收,网络拓扑关系和地址就会保存在各自的flash中。

     

    4.节点通过协调器加入网络

    当节点协调器确定之后,节点首先需要和协调器建立连接加入网络。

    为了建立连接,FFD节点需要向协调器提出请求,协调器接收到节点的连接请求后根据情况决定是否允许其连接,然后对请求连接的节点做出响应,节点与协调器建立连接后,才能实现数据的收发。节点加入网络的具体流程可以分为下面的步骤:

    • 4.1 查找网络协调器

    首先会主动扫描查找周围网络的协调器,如果在扫描期限内检测到信 标,那么将获得了协调器的有关信息,这时就向协调器发出连接请求。在选择合适的网络之后,上层将请求MAC层对物理层PHY和MAC层的phyCurrentChannel、macPANID等PIB属性进行相应的设置。如果没有检测到,间隔一段时间后,节点重新发起扫描。

    • 4.2 发送关联请求命令(Associaterequest command)

    节点将关联请求命令发送给协调器,协调器收到后立即回复一个确认帧(ACK),同时向它的上层发送连接指示原语,表示已经收到节点的连接请求。但是这并不意味着已经建立连接,只表示协调器已经收到节点的连接请求。当协调器的mac层的上层接收到连接指示原语后,将根据自己的资源情况(存储空间和能量)决定是否同意此节点的加入请求,然后给节点的mac层发送响应。

    • 4.3 等待协调器处理

    当节点收到协调器加入关联请求命令的ACK后,节点mac将等待一段时间,接受协调器的连接响应。在预定的时间内,如果接收到连接响应,它将这个响应向它的上层通告。而协调器给节点的mac层发送响应时会设置一个等待响应时间(T_ResponseWaitTime)来等待协调器对其加入请求命令的处理,若协调器的资源足够,协调器会给节点分配一个16位的短地址,并产生包含新地址和连接成功状态的连接响应命令,则此节点将成功的和协调器建立连接并可以开始通信。若协调器资源不够,待加入的节点将重新发送请求信息,直接入网成功。

    • 4.4 发送数据请求命令

    如果协调器在响应时间内同意节点加入,那么将产生关联响应命令(Associateresponse command)并存储这个命令。当响应时间过后,节点发送数据请求命令(Datarequest command)给协调器,协调器收到后立即回复ACK,然后将存储的关联响应命令发给节点。如果在响应时间到后,协调器还没有决定是否同意节点加入,那么节点将试图从协调器的信标帧中提取关联响应命令,成功的话就可以入网成功,否则重新发送请求信息直到入网成功。

    • 4.5 回复

    节点收到关联响应命令后,立即向协调器回复一个确认帧(ACK),以确认接收到连接响应命令,此时节点将保存协调器的短地址和扩展地址,并且节点的MLME向上层发送连接确认原语,通告关联加入成功的信息。

     

    5.节点通过已有节点加入网络

    当靠近协调器的FFD节点和协调器关联成功后,处于这个网络范围内的其他节点就以这些FFD节点作为父节点加入网络了,具体加入网络有两种方式,一种是通过关联(associate)方式,就是待加入的节点发起加入网络;另一种是直接(direct)方式,就是待加入的节点具体加入到那个节点下,作为该节点的子节点。其中关联方式是zigbee网络中新节点加入网络的主要途径。

    对于一个节点来说只有没有加入过网络的才能进行加入网络。在这些节点中,有些是曾经加入过网络中,但是却与它的父节点失去联系(这样的被称为孤儿节点),而有些则是新节点。当是孤儿节点时,在它的相邻表中存有原父节点的信息,于是它可以直接给原父节点发送加入网络的请求信息。如果父节点有能力同意它加入,于是直接告诉它的以前被分配的网络地址,它便入网成功;如果此时它原来的父节点的网络中,子节点数已达到最大值,也就是说网络地址已经分配满,父节点便无法批准它加入,它只能以新节点身份重新寻找并加入网络。

    而对于新节点来说,他首先会在预先设定的一个或多个信道上通过主动或被动扫描周围它可以找到的网络,寻找有能力批准自己加入网络的父节点,并把可以找到的父节点的资料存入自己的相邻表。存入相邻表的父节点的资料包括zigbee协议的版本、协议栈的规范、PAN ID和可以加入的信息。在相邻表中所有的父节点中选择一个深度最小的,并对其发出请求信息,如果出现相同最小深度的两个以上的父节点,那么随机选取一个发送请求。如果相邻表中没有合适的父节点的信息,那么表示入网失败,终止过程。如果发出的请求被批准,那么父节点同时会分配一个16位的网络地址,此时入网成功,子节点可以开始通信。如果请求失败,那么重新查找相邻表,继续发送请求信息,直到加入网络。

    6. ZigBee分离流程

    正常的分离过程:

    1).协调器主动要求设备分离

    协调器向设备发送接触连接命令,不管设备是否有ACK回应,协调器都认为该设备已经分离

    2).已连接设备主动分离

    设备主动向协调器发送接触连接命令,不管有没有收到协调器的ACK回应,设备都认为自己已经分离

    3).异常分离过程

    由于设备突然断电或者被阻挡覆盖,而造成的分离。前一种,在重启后,会发起孤儿请求连接。后一种,设备会尝试重试重传并等待ACK响应,如果没有响应,设备则为认为自己已经失去联系,间隔一段时间(默认为1s)后,节点重新并且不断的发起扫描。

     

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  • ZigBee介绍

    千次阅读 2014-10-21 10:57:50
    ZigBee网络 什么是ZigBee技术 Zigbee在中国被译为"紫蜂",是一种基于IEEE802.15.4协议的最近发展起来的一种短距离无线通信技术,功耗低,被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。Zigbee是一个由...
    1. ZigBee网络

      1. 什么是ZigBee技术

    Zigbee在中国被译为"紫蜂",是一种基于IEEE802.15.4协议的最近发展起来的一种短距离无线通信技术,功耗低,被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,在整个网络范围内,每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信,每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

      1. ZigBee版本

    200210月 ZigBeeAlliance成立。

    200411月 ZigBeeV1.0诞生,它是zigbee的第一个规范,但由于推出仓促存在一些错误。

    200506月 zigbeeV1.0正式发布。

    200611月 推出ZigBee2006,比较完善。

    2007年底 ZigBeePRO推出。

      1. ZigBee技术特点

    ZigBee是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流行)868MHz(欧洲流行)915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s20kbit/s40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术,ZigBee具有如下特点:

    1. 低功耗:由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。

    2. 成本低:ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5—2.5美元,并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

    3. 低复杂性:zigbee协议的大小一般在4-32KB,而蓝牙和wi-fi一般都超过100KB

    4. 时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

    5. 网络容量大:一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在最多100ZigBee网络,而且网络组成灵活。并且在一个网络中最多可以有65000个节点连接。

    6. 网络建立:zigbee能够自动建立其所想要的网络。

    7. 可靠:采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

    8. 安全:ZigBee提供了基于循环沉余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。

    1. ZigBee组网

    ZigBee标准网络定义了三种类型(ZigBeedevice type),对这三种角色的行为的说明,是了解整个协议栈运作的很好切入点。

      1. 角色介绍

    zigbee网络中,不同的节点有不同的分工,根据其工作特性,可以分为以下几类:

    1. 协调者(Coordinator):它是一个FFD节点,负责整个网络的管理工作。每个网络中有只有一个协调者。它具有以下几个功能:

    1. 选择所用网络的信道;

    2. 从协调者开始,启动网络;

    3. 分派网络地址;

    4. 允许其他设备加入或者退出其网络;

    5. 保存邻接表和路由信息;

    6. 传输应用数据包;

    1. 路由节点(rooter):它是一个FFD节点,一般被应用于树形或者Mesh拓扑结构中扩大网络覆盖量。它用于去找到从源点到终点的一条最佳路径来传输信息。路由节点除了不能建立网络之外,和协调者相比较类似。

    2. 终端设备(Enddivice):它是一个RFD节点,被用于连接到路由节点或者协调者。终端节点完成以下2个任务:

    1. 加入或者离开网络;

    2. 传输应用数据包;

    1. Zigbee信任中心(ZigBeetrust centre):它提供安全管理、安全密钥分配和设备认证。

    2. 网关(ZigbeeGateway):连接zigbee网络和其他网络,例如局域网。

      1. 网络拓扑

    ZigBee网络有以下三种组网方式,星型网、簇型网和网状网。其中红色和蓝色的节点(路由节点和协调员节点)才具有转发功能,由他们构建网络框架。

     

    1. Zigbee协议栈

    ZigBee协议栈基于标准的OSI七层模型,但只是在相关的范围来定义一些相应层来完成特定的任务。IEEE802154—2003标准定义了下面的两个层:物理层(PHY)和媒介层(MAC)ZigBee联盟在此基础上建立了网络层(NWK)以及应用层(APL)的框架(framework)APL层又包括应用支持子层(ApplicationSupport Sub—layerAPS)ZigBee的设备对象(ZigBeeDevice 0bjectsZD0)以及制造商定义的应用对象。

      1. Zigbee与其他无线网络标准的比较

    目前,市场上无线网络技术除了Zigbee外,主要有Wi-Fi(无线保真)Bluetooth(蓝牙)NFC(近场通信)等。一些大公司为开拓市场和应用领域,也在积极研究和制定一些新的无线组网通信技术标准,如UWB(超宽带)Z-Wave等。这些技术在很大程度上是互补的,其不同之处或基于传输速度、距离、耗电量的特殊需要,或着眼于功能的扩充性,或符合某些单一应用场景的需要,或满足竞争技术的差异化等。

    BluetoothWi-Fi一样,同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线通信技术。它们拥有非常大的无线技术容量,但并不像ZigBee一样是以监控为明确目标的无线传感器网络应用标准。Bluetooth技术已高度成熟,具有多种规范,并能提供PANad-hoc(非网状结构)联网能力,现已广泛应用于局域网络中各类数据及语音设备,如PC、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话和高品质耳机等。Wi-Fi技术使用开放的2.4GHz附近的频段,最大覆盖范围为100m。一般来说,带有这个标志的产品表明可以利用它们方便地组建一个无线局域网。Wi-Fi目前有3个使用标准:IEEE802.11a/b/g,最高数传率为54Mb/s。尚在孕育并值得期待的802.11n标准数传率将达到150600Mb/s。但是Wi-Fi收发器的功耗较大,集成到Mesh网络比较困难,且价格也较高。

    UWB原属军方专用技术,20022月美国联邦通信委员会正式将其解禁。UWB一直被看作是Bluetooth技术的替代品,其数传率达到100480Mb/s,但覆盖距离很短不超过10mUWB已有芯片和模组产品,但没有网状网组网能力。

    上述标准中最具可比性的是BluetoothZigBee技术。ZigBee源于Bluetooth,但比后者更简单,速率更慢,功率及费用也更低,且大多数时间处于睡眠模式,更加适用于那些不需要实时传输或连续更新的场合,如工业控制和监控领域。而且ZigBee是当前唯一面向无线传感器网络的技术标准,其网状网组网能力使其应用范围可伸延至数百、甚至数千米的广泛区域,而Bluetooth则只为10~100m范围内的短程网络而设。就制造成本而言,ZigBee芯片现在远比Bluetooth芯片便宜。

    相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee将是功耗和成本最低的技术,并且能够用于BluetoothWi-FiUWBGPRS以及其他无线技术不能覆盖的大部分应用领域。生产商最终可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台,设计出简单、可靠、便宜又节能的各种电子产品。

      1. 协议分析

    IEEE 802.15.4包括物理层和MAC层两部分。ZigBee工作在三种频带上,分别是用于欧洲的868MHz频带,用于美国的915MHz频带,以及全球通用的2.4GHz频带,但这三个频带的物理层并不相同,它们各自的信道带宽分别是0.6MHz, 2MHz5MHz,分别有1个,10个和16个信道。不同频带的扩频和调制方式也有所区别,虽然都使用了直接序列扩频(DSSS)的方式,但从比特到码片的变换方式有比较大的差别;调制方面都使用了调相技术,但868MHz915MHz频段采用的是BPSK,而2.4GHz频段采用的是OQPSK。我们可以以2.4GHz频段为例看看发射机基带部分的框图(如图1),可以看到物理层部分非常简单,而IEEE 802.15.4芯片的低价格正是得益于底层的简单性。可能我们会担心它的性能,但我们可以再看看它和Bluetooth/IEEE 802.15.1以及WiFi/IEEE 802.11的性能比较(如图2),在同样比特信噪比的情况下,IEEE 802.15.4要优于其他两者。直接序列扩频技术具有一定的抗干扰效果,同时在其他条件相同情况下传输距离要大于跳频技术。在发射功率为0dBm的情况下,Bluetooth通常能有10m作用范围,而基于IEEE 802.15.4ZigBee在室内通常能达到30~50m作用距离,在室外如果障碍物较少,甚至可以达到100m作用距离;同时调相技术的误码性能要优于调频和调幅技术。因此综合起来,IEEE 802.15.4具有性能比较好的物理层。另一方面,我们可以看到IEEE 802.15.4的数据速率并不高,对于2.4GHz频段只有250kb/s,而868MHz频段只有20kb/s915MHz频段只有40kb/s。因此我们完全可以把它归为低速率的短距离无线通信技术。

    物理层的上面是MAC层,它的核心是信道接入技术,包括时分复用GTS技术和随机接入信道技术CSMA/CA。不过ZigBee实际上并没有对时分复用GTS技术进行相关的支持,因此我们可以暂不考虑它,而专注于CSMA/CAZigBee/IEEE 802.15.4的网络所有节点都工作在同一个信道上,因此如果邻近的节点同时发送数据就有可能发生冲突。为此MAC层采用了CSMA/CA的技术,简单来说,就是节点在发送数据之前先监听信道,如果信道空闲则可以发送数据,否则就要进行随机的退避,即延迟一段随机时间,然后再进行监听,这个退避的时间是指数增长的,但有一个最大值,即如果上一次退避之后再次监听信道忙,则退避时间要增倍,这样做的原因是如果多次监听信道都忙,有可能表明信道上的数据量大,因此让节点等待更多的时间,避免繁忙的监听。通过这种信道接入技术,所有节点竞争共享同一个信道。在MAC层当中还规定了两种信道接入模式,一种是信标(beacon)模式,另一种是非信标模式。信标模式当中规定了一种“超帧”的格式,在超帧的开始发送信标帧,里面含有一些时序以及网络的信息,紧接着是竞争接入时期,在这段时间内各节点以竞争方式接入信道,再后面是非竞争接入时期,节点采用时分复用的方式接入信道,然后是非活跃时期,节点进入休眠状态,等待下一个超帧周期的开始又发送信标帧。而非信标模式则比较灵活,节点均以竞争方式接入信道,不需要周期性的发送信标帧。显然,在信标模式当中由于有了周期性的信标,整个网络的所有节点都能进行同步,但这种同步网络的规模不会很大。实际上,在ZigBee当中用得更多的可能是非信标模式。

    MAC层往上就属于ZigBee真正定义的部分了,我们可以参看一下ZigBee的协议栈(3)。底层技术,包括物理层和MAC层由IEEE 802.15.4制定,而高层的网络层、应用支持子层(APS)、应用框架(AF)ZigBee设备对象(ZDO)和安全组件(SSP),均由ZigBee Alliance所制定。

    这些部分当中最下面的是网络层。和其他技术一样,ZigBee网络层的主要功能是路由,路由算法是它的核心。目前ZigBee网络层主要支持两种路由算法—树路由和网状网路由。树路由采用一种特殊的算法,具体可以参考ZigBee的协议栈规范。它把整个网络看作是以协调器为根的一棵树,因为整个网络是由协调器所建立的,而协调器的子节点可以是路由器或者是末端节点,路由器的子节点也可以是路由器或者末端节点,而末端节点没有子节点,相当于树的叶子。这种结构又好像蜂群的结构,协调器相当于蜂后,是唯一的,而路由器相当于雄蜂,数目不多,末端节点则相当于数量最多的工蜂。其实有很多地方仔细一想,就可以发现ZigBee和蜂群的许多暗合之处。树路由利用了一种特殊的地址分配算法,使用四个参数—深度、最大深度、最大子节点数和最大子路由器数来计算新节点的地址,于是寻址的时候根据地址就能计算出路径,而路由只有两个方向—向子节点发送或者向父节点发送。树状路由不需要路由表,节省存储资源,但缺点是很不灵活,浪费了大量的地址空间,并且路由效率低,因此常常作为最后的路由方法,或者干脆不用。ZigBee当中还有一种路由方法是网状网路由,这种方法实际上是AODV路由算法的一个简化版本,非常适合于低成本的无线自组织网络的路由。它可以用于较大规模的网络,需要节点维护一个路由表,耗费一定的存储资源,但往往能达到最优的路由效率,而且使用灵活。除了这两种路由方法,ZigBee当中还可以进行邻居表路由,其实邻居表可以看作是特殊的路由表,只不过只需要一跳就可以发送到目的节点。

    网络层的上面是应用层,包括了APSAFZDO几部分,主要规定了一些和应用相关的功能,包括端点(endpoint)的规定,还有绑定(binding)、服务发现和设备发现等等。其中端点是应用对象存在的地方,ZigBee允许多个应用同时位于一个节点上,例如一个节点具有控制灯光的功能,又具有感应温度的功能,又具有收发文本消息的功能,这种设计有利于复杂ZigBee设备的出现。而绑定是用于把两个“互补的”应用联系在一起,如开关应用和灯的应用。更通俗的理解,“绑定”可以说是通信的一方了解另一方的通信信息的方法,比如开关需要控制“灯”,但它一开始并不知道“灯”这个应用所在的设备地址,也不知道其端点号,于是它可以广播一个消息,当“灯”接收到之后给出响应,于是开关就可以记录下“灯”的通信信息,以后就可以根据记录的通信信息去直接发送控制信息了。服务发现和设备发现是应用层需要提供的,ZigBee定义了几种描述符,对设备以及提供的服务可以进行描述,于是可以通过这些描述符来寻找合适的服务或者设备。

    ZigBee还提供了安全组件,采用了AES128的算法对网络层和应用层的数据进行加密保护,另外还规定了信任中心(trust center)的角色—全网有一个信任中心,用于管理密钥和管理设备,可以执行设置的安全策略。

      1. ZigBee性能分析

    上面对ZigBee协议栈作了一些介绍,要知道ZigBee能胜任什么工作,还需要作进一步的分析,主要有几个方面:数据速率、可靠性、时延、能耗特性、组网和路由。

    ZigBee的数据速率比较低,在2.4GHz的频段也只有250kb/s,而且这只是链路上的速率,除掉帧头开销、信道竞争、应答和重传,真正能被应用所利用的速率可能不足100kb/s,并且这余下的速率也可能要被邻近多个节点和同一个节点的多个应用所瓜分。所以我们不能奢望ZigBee去做一些如传输视频之类的高难度的事情,起码目前是这样,而应该聚焦于一些低速率的应用,比如人们早就给它找好的一个应用领域—传感和控制。

    至于可靠性,ZigBee有很多方面进行保证,首先是物理层采用了扩频技术,能够在一定程度上抵抗干扰,而MAC层和应用层(APS部分)有应答重传功能,另外MAC层的CSMA机制使节点发送之前先监听信道,也可以起到避开干扰的作用,网络层采用了网状网的组网方式(4),从源节点到达目的节点可以有多条路径,路径的冗余加强了网络的健壮性,如果原先的路径出现了问题,比如受到干扰,或者其中一个中间节点出现故障,ZigBee可以进行路由修复,另选一条合适的路径来保持通信(5、图6)。据了解,在最新的ZigBee 2007协议栈规范当中,将会引入一个新的特性——频率捷变(frequency agility),这也是ZigBee加强其可靠性的一个重要特性。这个特性大致的意思是当ZigBee网络受到外界干扰,比如Wi-Fi的干扰,无法正常工作时,整个网络可以动态的切换到另一个工作信道上。

      
    时延也是一个重要的考察因素。由于ZigBee采用随机接入MAC层,并且不支持时分复用的信道接入方式,因此对于一些实时的业务并不能很好支持。而且由于发送冲突和多跳,使得时延变成一个不易确定的因素。能耗特性是ZigBee的一个技术优势。通常情况下,ZigBee节点所承载的应用数据速率都比较低,在不需要通信的时候,节点可以进入很低功耗的休眠状态,此时能耗可能只有正常工作状态的千分之一。由于一般情况下休眠的时间占总运行时间的大部分,有时可能正常工作的时间还不到1%,因此达到很高的节能效果。在这种情况下,ZigBee的网络有可能依靠普通的电池连续运转一两年。当然,ZigBee节点能够方便的在休眠状态和正常运行状态之间灵活的切换,和它底层的特性是分不开的。ZigBee从休眠状态转换到活跃状态一般只需要十几毫秒,而且由于使用直接扩频而不是跳频技术,重新接入信道的时间也很快。

    最后是组网和路由特性,它们属于网络层的特性,ZigBee在这方面做得相当出色。首先是大规模的组网能力——ZigBee可以支持每个网络多达六万多个节点,相比之下,Bluetooth只支持每个网络8个节点。这是因为ZigBee的底层采用了直扩技术,如果采用非信标模式,网络可以扩展得很大,因为不需要同步。而且节点加入网络和重新加入网络的过程也很快,一般可以做到一秒以内甚至更快,而Bluetooth通常需要3s时间。在路由方面,ZigBee支持可靠性很高的网状网的路由,因此可以布设范围很广的网络,并且支持多播和广播的特性,能够给丰富的应用带来有力的支撑。

    1. ZigBee技术发展趋势

    ZigBee技术将朝着开发SoC(片上系统)、更多规范、与IPv6结合、更廉价、更省电、更快速等方向发展。

    ZigBee应用产品市场的培育和发展也是ZigBee技术发展重点方向。ZigBee产品应用在国际市场上将会有快速成长的机会,成长的动力来自于Zigbee联盟和业界厂商的大力推广,更完善的Zigbee标准制定、Zigbee芯片成本的不断下降以及与其他网络技术的互相结合并产生互补优势。

    当然,在中国市场,Zigbee产品的应用爆发还需要更长一段时间,中国的无线网络市场还未成熟,本土厂商的参与度还非常有限,对中国市场来说,无线自动抄表系统、车用无线领域等工业级应用和高端市场将或是市场主要发力点,而中国家用无线自动控制系统、便携设备市场还处于培育阶段,Zigbee要在其中扮演重要角色尚待时日。

    综上所述,作为新兴的短距离无线通信技术,Zigbee产品将以各种各样的方式快步向我们走来,成为人类工作和生活中不可或缺的一部分。

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