Zigbee协议入门

Zigbee是一种新型的短距离无线通信技术。其特点是低功耗，低成本，组网灵活。Zigbee协议由zigbee联盟指定，包括应用层，和网络层，其下层采用IEEE802.15.4协议。

 无论是学习zigbee技术，还是利用zigbee技术开发产品，都需要较好的掌握zigbee协议，并比较深入的了解IEEE802.15.4协议.然而仅zigbee协议就接近400页，而IEEE802.15.4协议多达600页，全部是英文。如果从来没有接触过无线通信的开发，要迅速掌握这么多内容确实有一些难度，笔者考虑到广大急切进入zigbee的同仁者，结合自己开发中总结出的理解协议的特定方法，从开发的角度，阐述协议内容，以达到抛砖引玉的效果，同时和广大同仁交流，共同提高，并希望zigbee技术能够在中国发扬光大。

  协议从功能实现来讲，ZigBee协议层共包括物理层（又称实体层）、MAC层、数据链接层、网络层和应用支持层五个主要层次。在标准制定的分工上，ZigBee协议层是由ZigBee联盟和IEEE802.15.4的任务小组共同完成的。其中，物理层（又称实体层）、MAC层、数据链接层，以及传输过程中的资料加密机制等都是由IEEE所主导的。网络层和应用支持层则由ZigBee联盟来完成。IEEE802.15.4小组与ZigBee联盟共同针对ZigBee协议栈的发展进行研究，而未来还能依据系统客户的要求来修正其所需的应用界面。如图1所示：

Zigbee协议整体架构

作为理解协议，从开发者的角度来讲，这样学习协议是比较费时间的，也较难掌握。笔者从自己长期开发的经验来看，对无线通信，最重要的就是在发送端根据用户的要求，把数据能够扔出去，并且是扔到指定的设备，在接收端，能够把发送到该设备的数据捡起来。并根据用户要求的作特定的处理。如果考虑在一个无线网路中的话，就得首先建立网络，其他得设备加入网络。最后是才是一些其他的问题，如设备离开网络，设备重新加入网络，等等。

这样从通信过程去理解协议，将会使得协议的内容非常明了，也可以很好的知道利用协议开发产品，达到事半功倍的效果。

本人将根据这样的思路，分五期具体讲述协议内容：

第一期：设备建立网络过程

第二期：设备加入网络过程

第三期：数据发送过程

第四期：数据接收过程

第五期：其他的问题

 

zigbee设备建立网络过程

在一个zigbee网络中，只有协调器（coordinator）设备可以建立网络，在建立网络过程中，所有的实现过程都是通过原语实现的（具体在程序中，如用c语言，就是调用一个一个函数，或者是一个一个任务来实现（不要刻意最求这句话的准确性，本来好的协议就是只要达到这样的结果，不管具体实现）），首先协调器设备的应用层调用NLME_NETWORK_FORMATION.request原语，发出建立网络请求，网络层收到这个原语，就要求MAC层执行信道能量扫描（在IEEEE802.15.4协议中规定，在2.4G频段，共有16个信道，每个信道的带宽为5M,深入理解，可以看协议和通信原理的相关资料）。这调用MLME_SCAN.request，主要找到信道能量低于设定能量值的信道，并且标注这些信道是可用信道，下一步就在可用信道中执行活动情况扫描（active scan),就是在可接受的信道搜寻zigbeee设备，找到一个最好的信道，通过记录的结果，选择一个信道，该信道存在最少的zigbee网络，最好是没有zigbee设备。

如果没有合适的，将发送confirm原语，并告知上层结果；如果找到了合适的信道，将随机选择一个PAN（网络号，就是可以识别一个特定zigbee网络的标识号），不与原来的冲突，如果没有找到，也通过原语告诉上层结果，如果找到了，就通过原语在MAC层注册，这个ID号，然后选择网络地址，并发送MLME_START.request原语，获取PAN ID和信道扫描结果，将通过confirm原语告知上层。

收到PAN 开始的状态，NLME 将告知应用层，它要求的建立网络的状态，这通过NLME_NETWORK_FORMATION.confirm原语实现。

 zigbee设备加入网络过程

在一个zigbee协调器设备建立网络后，路由器设备或者终端设备（end device），可以加入协调器建立的网络，具体加入网络有两种方式，一种是通过关联（association）方式，就是待加入的设备发起加入网络，具体实现方式后面讨论，另一种是直接（direct）方式，就是待加入的设备具体加入到那个设备下，作为该设备的子节点，由以前网络中的设备，想待加入的设备作为其子设备决定。

 下面重点讨论第一种方式，也是实际中用的最多的方式

方式一：关联加入

加入一个设备，是两个设备的事，即子设备和待定父设备

对于子设备，首先子设备调用NLME-NETWORK-DISCOVERY.request 原语，设定待扫描的信道，以及每个信道扫描的时间，网络层收到这个原语，将要求MAC层执行被动或主动扫描。

具体发送到设备外的是一个beconrequest 帧，当在这个信道中的设备收到该帧，将会发送becon帧，这是子设备通过BEACON-NOTIFY.indication 原语，告知该设备的MAC层，该becon帧包含了发送该帧的地址信息，以及是否允许其他设备以其子节点的方式加入。待加入的设备，在网络层，将检查该becon帧 协议 ID是否是zigbee ID 。如果不是，将 忽略；如果是，该设备将复制收到每个becon帧的相关信息到其关联表中（neighbor table）。

一旦MAC层完成了扫描，将发送 MLME-SCAN.confirm 原语，告知网络层，网络层将发送NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm 原语，告知应用层。

应用层收到该原语，应用层将根据情况，要么重新要求扫描，或者从关联表中选择所发现的网络加入。调用NLME-JOIN.request 原语，原语中各个参数的设置参看协议，非常容易。如果在关联表中找不到合适的准父节点，将调用原语告知应用层，如果由多个设备可以满足要求，将选择到协调器节点深度最低的设备，如果有几个设备的深度相同，且都是最小深度，将从中随机选择一个。

一旦潜在的父节点确定，网络层将调用MLME-ASSOCIATE.request 原语到MAC层。具体设置参看协议相关部分（213页），连接状态将通过MLME-ASSOCIATE.confirm 原语反馈。

如果试图加入不成功，网络层将收到MAC层通过MLME-ASSOCIATE.confirm告知的加入失败，如果收到的是潜在父节点拒绝该设备加入，这时候，网络层将会在关联表中，把该潜在父节点的相应部分，潜在父节点位(potential parent bit)置为零，确保网络层，不再给这个设备二次发送加入请求。

如果一次加入没成功，将选择另一个潜在的父节点加入，指导找到一个合适的设备加入或者所有的设备都不适合。

如果加入成功，网络层收到的MLME-ASSOCIATE.confirm 原语，将含有该设备可用的16 唯一的逻辑地址，

网络层将在关联表中设置与其父节点的关系，同时，这个父节点也会在其关联表中加入这个新设备。

如果是以路由器(router)形式成功加入网络，该设备的应用层将发送NLME-STAT_ROUTER. request 原语，网络层将发送MLME-STAT.request 原语到MAC层。收到了MLME-START.confirm 原语，网络层 将发送 NLME-START-ROUTER.confirm 原语，含有同样的状态值。

对于父节点设备：

只有协调器或路由器，可以加入设备，进行该操作，首先从MAC层开始，MAC接收到一帧（ASSOCIATE)数据 ,通过MLME_ASSOCIATE.indication原语传到网络层，潜在的父节点收到这帧数据，首先判断该设备是否已经存在其关联表中，如果找到，NLME将获取相应的16位网络地址，并发送 associationresponse 到MAC层，如果没有找到，将分配一个在这个网络中唯一的地址给待加入的设备，如果潜在父节点已经用完了地址分配，NLME将中止，通过MLME-ASSOCIATE.reponse 原语，告知该设备，不能接收子设备了，在多跳网络中，其他的设备还可以接收。

如果设备加入得到许可，这时候，将在关联表中创建一个表项，作为其子节点，并通过MLME-ASSOCIATE.reponse 原语，告知该设备，已经成功加入网络。

方式二：直接加入

直接方式加入网络（directly）

下面讲述如何一个子设备，在其潜在父节点预先指派的情况下加入网络．

以这种方式加入网络的过程中，首先由父节点发起，下面根据建网的过程来讲述

父节点：

首先调用NLME-DIRECT-JOIN.requese　原语，在目的地址部分设置成要求加入网络设备的IEEE地址，当这个过程初始化后，在父节点的网络层要判断该子设备是否已经加入网络，如果在其关联表中找到了这个设备，将终止操作，并通过NLME-DIRECT-JOIN.confirm原语告诉应用层，设备已经加入网络，如果没有找到匹配的，在网络层，如果可能　，将分配一个在这个　网络中唯一的１６位网络地址，将在其关联表中为这个子节点创建一个表项，如果不可以，NLME-DIRECT-JOIN.confirm原语告诉应用层表已满，如果可以，NLME-DIRECT-JOIN.confirm原语告诉应用层创建成功．注意，这个过程父节点设备是没有向空中发射信息，只是在自己设备内处理．但是，在子设备要求加入时，以孤节点方式实现，因为该过程和孤节点方式重新加入实现方式一样．

子节点：

子节点通过孤节点方式加入

首先子设备调用NLME-JOIN.request原语，并在RejoinNetwork项设置为真，然后网络层要求MAC执行孤节点扫描，对设置的信道，该步由MLME-SCAN.request初始化，通过MLME-SCAN.comfirm原语返回结果．

如果扫描成功，网络层将通过调用NLME-JOIN.confirm　原语告之应用层，加入成功．

如果扫描没有成功，网络层将终止操作，并告之应用层，没有找到网络，该步通过调用NLME-JOIN.confirm原语实现．

子节点要求加入后，父节点将做如下处理

在MAC层收到MLME-ORPHAN.indication原语，只有协调器或路由器将做进一步处理．

当这一过程完成后，网络层将首先查找看其子设备是否为孤节点，如果有，将比较IEEE地址，如果匹配，将获取相应的16位网络地址，通过MAC层MLME-ORPHAN.reponse原语告之子设备．

 接收发送数据的总体过程

在前面已经讲述了zigbee网络的建立过程，以及设备设备加入网络，现在作为实质的网络通信的平台已经搭建好了，可以进行数据传输了，下面将讲述在zigbee网络中，数据从一个设备发送到另一个设备的整体过程，后面在讲述涉及到数据传输的路由发现以及路由过程。

传输：

只有设备加入到网络中，才可以传输数据，首先，按照协议中规定的帧形式，构建帧数据，该帧数据包括帧头，帧内容，其中帧头包括帧类型，源地址，目的地址，PAN，CLUSTERID，等等信息，详细参考协议，帧构建好后，然后调用MAC层的原语，MCPS-DATA.request，将收到结果通过MCPS-DATA.confirm

接收：

设备可以接收数据，首先必须使能接收，在协调器或路由器中，只要设备不发送数据就可以处于接收状态，对于end device，应用调用NLME-SYNC.request原语，网络层，调用MLME-POLL.request原语，去查看其父节点是否暂存数据，待发送到该节点，如果有，将使能接收。

在MAC层收到数据后，首先帧头控制部分的传输半径内容将减一，然后交到网络层，网络层判断目的地址是否是自己或者该帧是广播数据帧，将把该数据传到应用层，广播帧数据将通过后面（广播传输部分）继续传输，如果目的地址不是自己，该节点是路由器或协调器，将通过后面（路由传输部分）继续传输，否则，该帧数据将被丢弃。如果是路由发现帧，将会用路由回复帧，并继续发送路由发送帧，具体过程后面详细讨论。

zigbee设备收发数据的整体过程

发送数据：

只有加入了网络的设备才可以发送数据，首先，应用层将一帧数据打包好，然后调用网络层的原语，并在网络层按照协议的配置，加上帧头，如果考虑安全机制，还要做安全处理。

接收和再发送：

在非信标的网络中，只要设备不发送数据，就可以处于接收的状态，只要在接收使能的情况下，收到一帧数据，将把该帧数据帧头的传输半径减一。如果该值为零，将不会再传输到下一个设备，该帧数据，将被送到应用层，或在网络层做具体的处理。数据帧，如果目的地址是该接收设备，将会发送到应用层，如果是广播数据帧，也会发送到应用层，并且还会继续传播到其他设备。如果正在接收的设备是协调器或路由器设备，并且已经使能了路由，如果接收到的数据目的地址不是该设备，将中继该帧数据到其他设备，如果其他情况，将舍弃该帧数据。如果接收到的数据是路由应答，如果目的地址是该设备，将用后面讲到的方式处理，否则，将舍弃该帧数据，并且将发送路由错误帧。