ZigBee学习笔记——（三）ZigBee无线传感器网络通信标准

一、ZigBee 标准概述

IEEE 802.15.4 技术标准是 ZigBee 技术的基础。

IEEE 802.15.4 只处理低级 MAC层和物理层协议，ZigBee 联盟对其网络层协议和 API进行标准化。

ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。

主要应用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

二、ZigBee 技术特点

如图，ZigBee 可工作在三个频段上，其自身的技术特点有：

• 功耗低
  ZigBee 网络节点设备工作周期短，收发数据信息功耗低；且
  使用休眠模式（当不需要接收数据时处于休眠状态，需要接收数据时由“协调器”唤醒）。

• 成本低
  协议栈设计简单，研发和生产成本低；
  普通节点只需要 8 位处理器，4~32KB 的ROM，且软件实现简单；
  模块便宜。

• 可靠性高
  采用碰撞避免机制（PAN ID）

• 容量大
  一个ZigBee网络最多可以容纳 254 个从设备和 1 个主设备，
  一个区域最多可以同时存在 100 个ZigBee网络。

• 时延小
  通信时延和从休眠状态到激活的时延都非常短，因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制领域。

• 安全性好
  ZigBee技术提高了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法使用AES-128

• 有效范围小
  有效范围为 10~75 m 之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式。

• 兼容性
  ZigBee 技术与现有的控制网络标准无缝集成。

三、ZigBee 协议框架

四、ZigBee 网络层规范

网络层只要实现节点加入、离开、路由查找和传送数据等功能。

目前，ZigBee 网络层主要支持两种路由算法：

• 树状路由（Cluster-Tree）
  树状路由把整个网络看作是以协调器为根的一棵树，树状路由不需要路由表，节省存储资源；缺点是不灵活，浪费大量地址空间，路由效率低。
• 网状网路由
  是AODV的一个简化版本
  无线自组网按需平面距离向量路由协议（Ad hoc On-Demand Distance Vector Routing，AODV）

在AODV中，整个网络都是静止的除非有连接建立的需求。这就是说一个网络节点要建立连接时才广播一个连接建立的请求。其他的AODV节点转发这个请求消息，并记录源节点，和回到源节点的临时路由。当接收连接请求的节点知道到达目的节点的路由时，就把这个路由信息按照先前记录的回到源节点的临时路由发回源节点。于是源节点就开始使用这个经由其他节点并且有最短跳数的路由。 当链路断掉，路由错误就被回送给源节点，于是源节点就重新发起路由查找的过程。

支持多种拓扑结构：

• 星状（Star）
• 树状（Cluster-Tree）
• 网状(Mesh)
  

协调器：

FFD设备

相当于蜂群的蜂后，是唯一的，是 ZigBee 网络启动或建立网络的设备。

一旦网络建立，协调器就如同一个路由器， 在网络中提供数据交互，建立安全机制，建立网络中绑定等路由功能。

网络中的其他操作不需要协调器。

路由器：

RFD设备

路由器相当于雄蜂，数目不多，但需要一直处于工作状态，需要主干线供电。

作为普通设备加入网络；实现多跳路由；辅助其他节点完成通信。

终端节点：

RFD设备

相当于工蜂

只能传送数据给 FFD 或从 FFD 接收数据，需要内存少。

网络层功能：
①通过添加恰当的协议头能够从应用层生成网络层的 PDU，即 NPDU；
②确定网络的拓扑结构；
③配置一个新的设备，可以是网络协调器，也可以是存在的网络中加入设备；
④建立并启动无线网络；
⑤加入或离开网络；
⑥ZigBee 的协调器和路由器能为加入网络的设备分配地址；
⑦发现并记录邻居表、路由表；
⑧信息的接收控制，同步 MAC 子层或直接接收信息。

五、ZigBee 应用层规范

ZigBee 应用层有三部分组成：

• 应用支持子层（Application Support Sub-Layer，APS）
• 应用框架（Application Framework，AF）
• ZigBee 设备对象（ZigBee Device Object，ZDO）

六、ZigBee 安全服务规范

ZigBee 设备之间的通信使用 IEEE 802.15.4 无线标准，该标准指定物理层（PHY） 和 媒介存取控制层（MAC） 两层规范。

而 ZigBee 规范了网络层（NWK） 和 应用层（APL） 标准。

各层规范功能如下：

• PHY：提供基本的物理无线通信能力
• MAC：提供设备间的可靠性授权和一跳通信连接服务
• NWK：提供用于构建不同网络拓扑结构的路由和多跳功能
• APL：包括一个应用支持子层、ZigBee 设备对象和应用