ZigBee 快速入门（协议栈，协调器，路由器，终端设备，加入网络，安全，路由功能，频段）

1、ZigBee 是什么

简单的说，ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，通讯距离从标准的75米到几百米、几公里，并且支持无线扩展。

特点：
低功耗，低数据量，低成本，使用免费频段2.4G 高抗干扰，高保密性，自动动态组网。

ZigBee 和 IEEE 802.15.4 是基于标准的协议，它们为 无线传感器网络（WSN）应用提供所需要的网络 基础设施。

802.15.4 定义了 物理层（PHY）和 媒体访问控制层（MAC），ZigBee 定义了 网络层（NWK）和 应用层（APL）。

ZigBee发展历程：

序号	时间	标准	特性
1	2003年	ZigBee问世	-
2	2004年	ZigBee 1.0（ZigBee 2004）	只能支持少量节点，星状拓扑，几乎没有什么实际应用
3	2006年	ZigBee 2006	面向住宅环境，支持树状和网状拓扑，可容纳300个以内节点，完全满足住宅自动化的组网需求
4	2007年	ZigBee 2007	面向商业和工业环境，可支持1000个节点，且有更好的安全性
5	2012年	ZigBee 2007	-
6	2015年	Zigbee PRO 2015	-
7	2016年5月	ZigBee 3.0	统一众多应用层协议，解决了不同厂商Zigbee设备之间的互联互通问题

2、ZigBee 目标

ZigBee 标准用于解决以下需求：

1. 低成本
2. 安全
3. 可靠和自愈
4. 灵活可拓展
5. 低功耗
6. 容易且不昂贵的部署
7. 使用全球无限制无线电频段
8. 建立智能化的网络和路由信息

3、ZigBee 协议栈

ZigBee 位于 IEEE 802.15.4 物理层（PHY）和 媒体访问控制层（MAC）的上面：

每一层为它的上层提供一套特定的服务。每一个服务实体通过一个 服务访问点（SAP）为上层提供服务。

应用层协议：

序号	协议类型	描述
1	ZigBee Home Automation（ZHA）	ZigBee 家庭自动化（智能家居）
2	ZigBee Lighting Link（ZLL）	（智能照明）

4、设备类型

序号	设备类型	描述
1	协调器（Coordinator）	启动和控制网络。 协调器存储关于网络的信息，包括作为认证中心和存储安全密钥。
2	路由器（Router）	拓展网络覆盖面，在障碍周围动态路由，并且提供备份路由以防 网络拥挤和设备失败。 路由器可以联系到协调器和其他路由器，并且支持子设备。
3	终端设备（End Device）	终端设备可以发送或接收一个信息，但是不能执行任何路由操作。 终端必须被联系到协调器或者路由器，不支持子设备。

5、Mesh网络 拓扑结构

（1）网状拓扑结构，也被称为 点到点，是由互联的路由器和终端设备组成的一个网状结构。每个路由器通常至少通过两个路径来连接，并且可以为它的邻居转发消息。
（2）网状拓扑结构支持 多跳 通信，这些数据通过跳跃从一个设备到另一个设备，使用 最可靠的通信联系 和 最符合成本效益 的路径，直到到达它的目的地。这种多跳能力也帮助提供 容错能力，如果一台设备失败或者经历冲突，该网络可以使用剩下的设备 重新路由 它自己。

优点：

序号	描述
1	Mesh拓扑结构 具有高可靠性和稳定性。 任何独立路由器可能变得不可用，替换路由可以被发现和使用。
2	利用 中间设备 来转发数据，即 网络范围 可以被明显增加，使 Mesh网络 可高度拓展。
3	通过添加更多的路由器到网络中，可以消除弱信号和死区。

6、加入一个 ZigBee 网络

当网络中的设备允许一个新设备加入网络时，这两个设备就构成了 父子关系。
新加入的设备是 子设备，而第一个设备是 父设备。

一个子设备可以通过下面两种方式 加入网络：

序号	描述
1	由先前指定的父设备直接加入网络
2	通过MAC层关联过程加入网络

只有 协调器 或者 路由器 能够 允许设备 加入网络。

7、ZigBee 安全

认证中心 决定是否允许或不允许新的设备加入它的网络。
认证中心 可周期性地更新并切换到一个新的 网络密钥。
认证中心 通常是 协调器，负责如下安全：

序号	设备	描述
1	认证管理	验证设备加入网络的请求
2	网络管理	维持并发布网络密钥
3	配置管理	使能设备间端到端的安全

8、频段和速率

IEEE 802.15.4 的物理层定义了三个频段（都是免费开放的）：

序号	频段	使用地区	速率	信道数	信道编号（十进制）
1	2.4 GHz（2405M~2480M）	全球	250k bps	16	11~26
2	915 MHz	美国、澳大利亚	40k bps	10	1~10
3	868 MHz	欧洲	20k bps	1	0

9、ZigBee相关特性和名词

9.1 CSMA/CD，CSMA/CA

1）CSMA/CD 通过电缆中电压的变化来检测，当数据发生碰撞时，电缆中的电压就会随着发生变化；而CSMA/CA采用能量检测（ED）、载波检测（CS）和能量载波混合检测三种检测信道空闲的方式
2）CSMA/CA（CSMA/Collision Avoidance）协议，由于在RF传输网络中冲突检测比较困难，所以该协议用避免冲突检测代替802.3 协议使用的冲 突检测，采用冲突避免机制尽量减小冲突碰撞发生的概率，以提高网络吞吐性能与迟延性能。协议使用信道空闲评估CCA）算法来决定信道是否空闲，通过测试天线能量和决定接收信号强度RSSI来完成，并且使用RTS、CTS和ACK帧减少冲突。数据加密与普通局域网的等同加密（WEP）算法一样，使用64位密钥和RC4加密算法；ED：能量检测；CS：载波监听和ED相比在CS中的工作信号是确定的

9.2 信道访问机制

1）竞争：允许设备以分布的方式，使用CSMA/CA协议访问信道
2）非竞争：协调器以GTS（保证时隙）的方式管理

9.3 dB、dBm、dBi

1. dB（分贝）表示功率的相对比值，是倍数的对数表达式，表示甲功率比乙功率大多少倍或少多少倍；
2. dBm(分贝毫瓦)：表示功率大小的绝对值，计算公式：10lg(P/1mW) ；dB只能 加减 不能 乘除。
   （+3dBm两倍大；+10dBm十倍大；-3dBm减小到原来的1/2；0dbm为1mW；10dbm为10mW；30dbm为1W）
3. dBi dBd（天线功率增益相对值）：dBi（参考点源天线）；dBd（参考偶极性天线）；同一增益用dBi表示比用dBd表示大2.15；对应增益为15dBd的天线，用dBi表示为17.15dBi

9.4 传播损耗

无线电波在传播的过程中会有传播损耗包括（反射损耗，绕射损耗，地物损耗，穿透损耗等）；山体和城市的反射损耗为 14-20dB；隔墙阻挡损耗为 5~20dB；人体损耗为 3dB； 发送天线或接受天线的高度增加一倍能补偿 6dB的传播损耗。

9.5 RSSI、LQI

RSSI：接收信号的强度指示，它的实现是在反向通道基带接收滤波器之后进行的，同时可以利用RSSI来进行统计信息而实现定位功能；
LQI：链路质量指示，在ZigBee标准中规定的链路质量指示用于指示接受数据包的质量，为网络层或应用层提供接收数据帧时无线信号的强度和质量信息，它要对信号进行解码，生成的是一个信噪比指标。LQI 的取值是0x00~0xFF，分别表示接收到的信号最差质量（0x00）到最好质量（0xFF）

9.6 接收灵敏度

接收机能够正确把有用信号拿出来的最小信号接收功率。

注释：接收灵敏度越小，说明接收机的接收性能越好；
环境温度升高，接收灵敏度S就会变大，接收性能也会恶化；
带宽越大，系统的噪音系数越大，接收灵敏度S就会变大，接收性能也会恶化。
Xbee S2C的接收灵敏度为-100dBm

9.7 功率放大器（PA）

功放放大的不是功率，也不是凭空产生了功率，因为能量不是凭空产生；功放放大了输入信号的变化，功放的输出功率的变化成倍地放大或反映了无线信号输入功率 的变化；但这并不是说，输出的信号功率来源于输入信号的功率 ；

注释：
1，功率放大器只是在输入和输出之间起到“反应，传递信息”的枢纽作用；
2，功率放大器的本质是利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用，使输出信号功率随输入信号的规律变化。小信号注入基极，则集电极流过的电流等于基极电流的β倍，经过若干级的电流和电压放大，就完成了功率放大。

9.8 频谱分析仪

频谱分析仪 主要用来测试射频的 发射功率等。

9.9 矢量网络分析仪

矢量网络分析仪 主要用来测试射频的馈线衰减、驻波比等。

10、路由 功能

协调器 和 路由器 应该提供以下 路由功能：

序号	描述
1	代表上层转发数据帧
2	代表其他路由器转发数据帧
3	为后面的数据帧建立路由而参与路由发现
4	代表终端设备参与路由发现
5	参与 端到端路由修复
6	参与 本地路由修复
7	使用路由发现和路由修复中指定的路径成本度量

此外，协调器和路由器还可能提供下列路由功能：

序号	描述
1	为记住最好的可用路由而维护路由表
2	代表上层启动路由发现
3	代表其他路由器启动路由发现
4	启动端到端路由修复
5	代表其他路由器启动本地路由修复

10、路由表

协调器和路由器可能维护了一个路由表，路由表中存放的信息：

序号	字段名	字段长度	描述
1	目的地址	2字节	本路由 最终目的设备 的16位网络地址
2	状态	3-bit	路由状态
3	下一跳点地址	2字节	去往目的地址的路由上 下一跳的16位网络地址

路由表记录中路由状态信息的取值：

序号	数值	状态
1	0x0	ACTIVE（活动）
2	0x1	DISCOVERY_UNDERWAY（正在执行路由发现）
3	0x2	DISCOVERY_FAILED（路由发现 失败）
4	0x3	INACTIVE（不活动）
5	0x4 ~0x7	预留