Zigbee学习（一）架构及入网

Zigbee学习（一）架构及入网

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前言

终于要开始学智能家居的zigbee了，边学习边总结，期待感兴趣的朋友们阅读指正 。
`注：本系列博客参考书是《ZigBee无线网络与收发器 [（美）法拉哈尼 著] 2013年版》

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一、zigbee是什么？

1.zigbee的特点

    IEEE805.15.4标准规定了PHY和MAC层的内容，属于无线个人局域网标准（PAN），zigbee标准规定了网络层和应用层的内容，根据芯片的不同协议会有差别。
    zigbee主要的优势是：低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、网络容量大。
    既然是智能家居应用，肯定有要和Wi-Fi、蓝牙做对比啦~在这边就简单对比两个指标。
        1.低速率
        相比于蓝牙的1-3Mbps，Wi-Fi的1-11Mbps，zigbee只有最高250bps的速率，支持250kbit/s（2.4GHz）、40kbit/s（915MHz）和20kbit/s（868MHz）。低速率让它可以传更远。
        2.范围
        zigbee：10-100m，蓝牙：2-10m，Wi-Fi：30-100m
    zigbee设备在自组网内有3个不同的角色：普通设备、路由、协调器。
    普通设备只能收发消息；
    路由可以转发消息、允许子设备加入网络；
    协调器选择工作频段、建立网络、允许子设备加入网络。
    根据角色的不同，zigbee设备有两种类型：FFD全功能设备（可以成为任何角色），RFD精简功能设备（只能和FFD设备通信）

2.zigbee的重要概念

（1）. attribute
    属性，表示一个物体可以执行的某个动作，比如开关有两种属性：开 和 关。
（2）. cluster
    群集，表示属性的集合，一个群集有一个唯一ID，最多有65535个属性。比如某种情况下的开关状态和灯的状态是一个cluster，另一种情况下的开关状态和灯的状态是一个cluster。由应用层来调用ZCL（Zigbee Cluster Library）。
（3）. endpoint
    端点，对应一个任务，是射频单元真正的数据目标。端点地址范围是0-255，其中0属于ZDO端点特有，255用于广播，可设置的是1-240，其余保留。
（4）. node
    节点，是一个包含一组zigbee应用对象的容器，它们共享一个无线信道。举个例子，一个多路开关是一个node，路1，路2，路3分别是3个endpoint。
（5）.profile
    规约，是面向应用的，用于解决一系列事务的公约，比如：加热公约。一个profile包含cluster和设备描述（device descriptions）。
    以上是大致需要知道的简介，接下来就看具体的zigbee协议架构来深入一些了解。

二、zigbee架构

    这里将zigbee在架构上分为四层：应用层、网络层、链路层、物理层。每一个层都可以和相邻层通信，并且包含有数据服务和管理服务。以下就每一层的关注点作具体说明：

1.PHY物理层

PHY物理层的功能是激活射频、收发包，是离硬件最近的一层。

1.1 主要功能

    1)zigbee的激活；
    2)信道评估：主要是避免冲突，有两种方式： 能量检测（ED），请求由MLME产生，由PLME执行。不解调信号，无法知道是IEEE802.15.4的包。载波检测CS：MLME请求PLME执行CCA，会解调信号。
    3)接收链路服务质量信息LQI：每收到一个包，PHY都会检测包并向MAC传一个连接质量LQI（至少应有8个等级）。
    4)zigbee信道接入方式；
    5)信道频率选择；通过信道页和信道号确定，每个信道由一个信道号确定。
    6)数据传输和接收。

1.2 数据包

2.MAC链路层

MAC链路层关注信标和超帧。

2.1 信标网络

    信标网络具有确定时隙GTS来同步时间，两个信标帧之间的结构叫做超帧。
    一个超帧有三种周期类型：竞争访问周期CAP、无竞争周期CFP、非活动周期。
活动期包含CAP和CFP，分为16个相等的时隙。

• 竞争访问周期CAP（MAC层命令帧所有传输必须在这期间传送），时隙0-10。
• 无竞争周期CFP（可以确保每一个特定设备都有一个时隙，不允许使用CSMA-CA），时隙11-15。
• 非活动周期（省电模式-协调器关闭收发电路）。

有两个重要配置需要关注：

1. Beacon Order（BO）
   可选0~14，表示信标传输间隔，15为无信标网络-不使用超帧。
2. Superframe Order（SO）
   表示超帧活动部分的长度。
   0 <= SO <= BO <= 14
   superframe order / beacon order越小，说明每一个设备的非活动期越长。

2.2 MAC包结构

3.Nwk网络层

Nwk网络层关注通信机制
    网络层限制了一个帧在网络中传输的距离，跳数最大为3，即消息最多只能被转发3次。
网络层在重传之前必须等待一个随机时间。
    通信机制分为：广播、多播、单播。

• 广播：目标地址0xffff，广播PAN标识符0xffff。协调器和路由器都会维护广播事务表（BTT）写一个广播事务记录（BTR），包含广播帧序列号和源地址，BTR在一段时间内有效，失效后可以被覆盖。
• 多播：每组通过16位多播组ID来识别。有两种模式：成员模式和非成员模式。
• 单播：给某个设备发消息，可经多跳路由转发。

4.API应用层

API应用层包括：APS应用支持子层、ZDO设备对象、AF应用程序框架。
作用是调用profile实现具体应用（使用标准或自定义的profile）。

三、zigbee入网流程

1. 子设备（以下假设为router）的应用层调用NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原语，设定待扫描的信道和时间，网络层收到原语，要求MAC层执行扫描，在每个信道广播发Beacon Request。
2. 潜在父设备（coordinator协调器）收到后，发beacon帧，包含自己的IEEE地址，以及允许/不允许入网的信息。
3. 子设备router在网络层检查beacon帧协议ID是否是自己的ID，如果是，复制所有收到的beacon帧相关信息存入表，MAC层发送MLME-SCAN.confirm告知网络层，网络层发送NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm告知应用层。网络层调用NLME-JOIN.request原语在表中找到合适的父节点，找到后调用MLME-ASSOCIATE.request要求MAC层发送关联请求。
4. 潜在父设备收到associate request后确认可连接或连接失败，通过MLME-ASSOCIATE.confirm回复给子设备。如果是可连接，再次也分配给子设备可用的16位地址。
5. router收到包后设置自己的16位短地址，利用短地址和网络内设备通信。

总结

zigbee的架构和入网就说到这，若有错误欢迎留言指正。