【Zigbee】解密Zigbee地址分配——你需要知道的一切

本文节选自笔者博客：https://www.blog.zeeland.cn/archives/aa019rhfk ，如有更多问题，请在博客评论区下方发表你的想法。

什么是Zigbee ?

• 简单来说，Zigbee是一种通信技术。具体地，ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。

Zigbee的组成

一个Zigbee网络通常由以下组成部分：

1. Zigbee协调器（Zigbee Coordinator）：它是网络的核心组件，负责管理整个网络，包括网络的起始、结束和重组。通常它是网络中唯一一个能够与外部网络通信的节点，可以与外部网络（如互联网）连接。
2. Zigbee路由器（Zigbee Router）：它是中间节点，可以扩展网络的范围和覆盖区域。它能够通过选择最佳的传输路径，将数据从一个节点传输到另一个节点。在一个大范围的网络中，路由器可以协助将信息传递到远离协调器的节点。
3. Zigbee终端设备（Zigbee End Device）：它是最基本的节点，通常是一个传感器或控制器。它是一个低功耗设备，只有在需要向网络中传输数据时才会主动唤醒。

这些设备之间通过无线信号进行通信。Zigbee网络也支持多种拓扑结构，如星型、网状、混合等。

Zigbee的特点

• ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz（欧洲流行)和915 MHz（美国流行)3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。

（1）低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6-24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比之下蓝牙可以工作数周、WiFi可以工作数小时;

（2）低成本：通过大幅简化协议是成本很低（不足蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee的协议专利免费;

（3）低速率：ZigBee工作在250kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求;

（4）近距离：传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1-3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远;

（5）短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3-10s、WiFi需要3s;

（6）高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网;

（7）高安全：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性;

（8）免执照频段：采用直接序列扩频在工业科学医疗2.4GHz（全球）频段。

Zigbee的地址分配

为什么要进行地址分配？

• 需要说明的是，Zigbee网络是一个多传感器网络，内部的传感器要想相互通信，必须知道网络内其他传感器的地址，因此每一个节点都有一个16bit网络短地址和一个64bitIEEE扩展地址。
• 其中，16bit网络地址实在节点加入网络时由其父节点动态分配，这种地址仅仅用于路由机制和网络中的数据传输，类似于Internet中使用的IP地址，或者说可以叫做相对地址；64bit地址类似于MAC地址，是每个节点的唯一标识。
• 加入Zigbee网络的节点通过IEEE802.15.4MAC层提供的关联过程做成以可逻辑树，当网络中的节点允许一个新节点通过它加入网络时，他们之间就形成父子关系，每个进入网络的节点都会得到父节点为其分配的一个在此网络中的唯一的16bit网络地址，如下图：

如何进行地址分配？

• 在介绍如何进行地址分配之前，下面，我们要先介绍一些名词概念，以便你更好地理解如何建立地址分配的模型。

• 节点的网络深度： 指从节点到根节点协调器的最短跳数，标识节点在网络拓扑结构图中的层次位置。

• LM（Logical type Mask）：用于确定节点类型的参数。当LM=3时，节点类型为路由器节点，当LM=2时，节点类型为协调器节点，当LM=1时，节点类型为终端设备节点。

• CM（Capacity Mask）：用于决定网络容量的参数。它决定了哪些节点可以连接到网络上，并限制了节点数量和网络范围。例如，CM=4意味着最多可以有4个子节点连接到任何一个父节点上。

• RM（Relationship mask）：用于帮助确定节点之间的关系的参数。它确定了节点层次结构的深度和节点之间的距离。例如，RM=4意味着节点之间的距离在4层以下。

• *当协调器建立一个新的网络后，首先将自己的16bit网络地址初始化为0，网络深度初始化为0，在Zigbee网络中，16为短地址的分配机制如下：

• 规定每个父节点最多可以连接C个子节点

• 这些子节点中最多可以由R个路由器节点

• 网络的最大深度为L

• Cskip(d)是网络深度为d的父节点为其子节点分配的地址之间的偏移量，其值按照下式计算：

• 每个父节点最多可以分配R个这样的地址。伪终端节点分配地址和为路由器节点分配地址不同，假设父节点的地址为Ap，则第N个与之关联的终端节点地址An按下式计算。

注意事项：
（1）当一个路由器节点的Cskip(d)为0时，它就不具备为子节点分配地址的能力，也即表明不能够在使用别的节点通过他加入网络。
（2）当Cskip(d)大于0时表明父节点可以接受其他节点为其子节点，并为子节点分配网络地址。父节点会为第一个与它关联的路由器分配比他大1的地址，之后与之关联的路由器节点的地址之间都相隔偏移量Cskip(d)。

地址分配示例

已知LM=3, CM=4, RM=4，计算以下zigbee各节点地址并列出计算过程。

首先，先给各个节点标号，便于计算，如下图所示：

根据Cskip的公式，可以计算出:

• d=0, Cskip(0)=21
• d=1, Cskip(1)=5
• d=2, Cskip(2)=1
• d=3, Cskip(3)=0

可得：
A(1) = 0
A(2) = 1
A(3) = 1+ 21 = 22
A(4) = 22+ 21 = 43
A(5) = 43+ 21 = 64
A(6) = 1 + 1 = 2
A(7) = 23
A(8) = 23 + 5 = 28
A(9) = 64 + 1 = 65
A(10) = 65 +5 = 70
A(11) = 66

References

Zigbee 网络层分配机制–计算个节点的网络地址_网络层地址分配机制_gussu-毛虫的博客-CSDN博客
ChatGPT Next Web (zeeland.cn)