ZigBee基础知识（一）

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。

Zigbee是IEEE 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 Networks，LR-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/s，40kb/s，20kb/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 avoidance，CSMA-CA)。
◆ 用于可靠传输的全应答协议。
◆ 低功耗。
◆ 能量检测(Energy Detection，ED)。
◆ 链路质量指示(Link Quality Indication，LQI)。
◆ 在 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(full．functional device，FFD)，另一种是简化功能设备(reduced．functional device，RFD)。

 

​​​​​​​1.3 ZigBee 协议体系结构

ZigBee协议栈建立在IEEE 802．15 4的PHY层和MAC子层规范之上。它实现了网络层(networklayer，NWK)和应用层(applicationlayer，APL)。在应用层内提供了应用支持子层(application support sub—layer，APS)和ZigBee设备对象(ZigBee Device Object，ZDO)。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(如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。