简介

这个zigbee教程描述了您想要了解的有关Zigbee协议栈的所有内容。现在，一天的zigbee在低数据速率无线应用中变得非常流行。

Zigbee设备用于智能能源，医疗和家庭自动化。在智能能源应用中，zigbee产品用于监控和控制能源和水的使用，这有助于消费者节约能源和水，并节省资金。

在医疗领域，它用于连接无限数量的健康监测设备等等。

在家庭自动化中，它控制家用照明，例如开关，调光器，占用传感器和负载控制器。

它有两个工作频段868 / 915MHz和2450MHz。868/915频段提供大约20-40Kb / s和2450MHz频段提供大约250 kb / s的数据速率。除此之外，使用zigbee终端设备可以进入睡眠模式，这节省了电池消耗，并且由于安全层，它还负责信息的安全性。

Zigbee网络概述：

如网络图中所述，zigbee网络由协调器（C），路由器（R）和终端设备（E）组成。Zigbee支持网状路由。有关zigbee中使用的路由协议的详细信息，可以参考Ad-hoc按需距离矢量路由协议（AODV协议），RFC 3561

协调员：
- 总是需要安装第一个协调器来建立zigbee网络服务，它启动一个新的PAN（个人区域网络），一旦启动其他zigbee组件即。路由器（R）和终端设备（E）可以加入网络（PAN）。 - 负责选择频道和PAN ID。 - 它可以帮助通过网状网络路由数据，并允许来自R和E的加入请求。 - 它是主电源（AC）并支持子设备。 - 它不会进入睡眠模式。

路由器：
- 第一个路由器需要加入网络，然后它可以允许其他R＆E加入PAN。 - 主电源（AC）和支持子设备。 - 它不会进入睡眠模式。

终端设备：
- 它不允许其他设备加入PAN，也不能协助通过网络路由数据。 - 电池供电，不支持任何儿童设备。 - 这可能会睡眠，因此可以在很大程度上最小化电池消耗。有两种拓扑结构，星形和网状，如前所述Zigbee支持网格路由。PAN ID用于zigbee设备之间的通信，它是16位数。协调器将PAN ID始终设置为零，并且所有其他设备在加入PAN时将接收16位地址。完成Zigbee网络安装有两个主要步骤。通过协调器形成网络并通过路由器和终端设备加入网络。

形成Zigbee网络

?协调员搜索合适的RF信道，该信道可用且不会干扰正在使用的无线LAN频率。这是因为WLAN也在相同的2.4GHz频段运行。这是在所有16个频道上完成的。它也被称为能量扫描。

?协调器通过为网络分配PAN ID来启动网络。分配以两种方式完成。手动（预配置）和动态（通过检查附近操作中已有网络的其他PAN ID获得，以便PAN ID不与其他网络冲突）。协调器还为自己分配网络地址，即0x0000。

?现在协调器完成其配置，并准备接受希望加入PAN的路由器和终端设备的网络加入请求查询。

除此之外，协调器（C）在剩余的安静信道上发送广播信标请求帧。这也称为信标扫描或PAN扫描。通过该协调器接收附近存在的路由器（R）和终端设备（E）的PAN ID。还要知道R / E是否允许加入。

现在R / E可以通过向C发送关联请求来加入.C将响应关联响应。

加入Zigbee网络

?让我们一起研究路由器或终端设备如何作为zigbee教程的一部分加入zigbee网络。有两种方法可以加入zigbee网络即可。MAC关联和网络重新加入。

?第一个由设备底层MAC层实现，第二个由网络层实现，尽管名称也可能首次用于加入网络。

?MAC关联可以在C和R / E之间或R和E或R和其他R之间执行。

?让我们假设协调员（C）已经建立了PAN网络。因此，R或E的下一步是找出C是否允许加入。因此他们进行PAN扫描或发送信标请求帧。

?在他们知道他们可以加入网络后，他们将发送关联请求框架，并在收到关联响应后立即加入网络。

?如上所述，无论C或R是否允许新设备加入，取决于两个主要因素： - 
允许加入属性
- 已有的终端设备子项数。
zigbee在家中的应用之一是使用zigbee技术控制开关，扬声器和灯。

zigbee协议

zigbee IP由各种协议层组成。物理层（PHY），mac层，网络层和应用层。IEEE 802.15.4标准定义了zigbee PHY和MAC规范。Zigbee联盟指定网络和应用程序层。

这个zigbee教程涵盖了zigbee网络，zigbee协议栈，物理层类型，帧结构，频段，一致性测试等。使用箭头导航以浏览完整的教程页面。

Zigbee 3.0教程包括功能和堆栈

这个Zigbee 3.0教程涵盖了Zigbee 3.0特性，Zigbee 3.0协议栈以及在物联网（物联网）应用程序中提到zigbee 3.0的好处。

ZigBee频段

zigbee频段的此页面涵盖zigbee频段868,915,2450 MHz范围，并提供每个频段支持的数据速率。

以下是915 MHz频段的1-10个zigbee频道。

ZigBee通道，915 MHz ISM频段

以下是2400 MHz频段中的11-26个zigbee频道。

ZigBee通道，2.4 GHz ISM频段

Zigbee协议栈

下图描绘了zigbee协议栈，它由四层组成。PHY，MAC，网络和安全以及应用层。前两个涵盖IEEE 802.15.4 WPAN标准，后两个涵盖在zigbee联盟发布的文档中。

应用层：

PL。请参阅我们关于OSI和TCPIP基础知识的文章来理解应用层。此层有两个配置文件。1.制造商特定的应用程序配置文件 - 作为封闭系统运行，并确保它们可以与其他zigbee系统共存。2.公共应用程序配置文件 - 为了实现各种zigbee设备之间的互操作性是必须的。单个zigbee节点最多支持240个称为端点的应用程序对象。端点指定特定应用程序，例如，0专用于ZDO（Zigbee设备对象），提供控制和管理命令。6用于控制光线。8用于管理供暖和空调。

网络层：

在网络层使用Ad-hoc按需距离矢量路由协议（AODV）。

安全层：

如果启用了安全性，则zigbee设备将使用128位AES加密密钥启动。具有相同安全密钥的设备可以在PAN上通信。
如何获得此密钥？
1.预安装
2.在加入过程中通过空中接收钥匙。

MAC层

每个MAC帧由三个字段MAC头，MAC有效载荷和MFR（FCS）组成。

每个MAC帧将包含帧控制字段（16位），其携带帧类型，寻址字段和其他控制标志。

该MAC控制字段包含帧类型字段，这是用于识别一个MAC帧与另一个MAC帧的主要区别因素。它的长度为3位。

MAC帧分为以下四个主要类别，zigbee设备使用它们通过交换系统信息建立与PAN的连接。
1.信标
2.数据
3.确认
4. MAC命令
参考描述信标，数据，确认，帧和命令帧的Zigbee MAC帧格式。

Zigbee 3.0

标准zigbee 3.0是以前zigbee标准的变体。zigbee 3.0规范实现了不同应用程序配置文件之间的互操作性。因此，zigbee 3.0允许来自不同应用领域的设备进行通信并形成单一的同构网络。例如，来自zigbee光配置文件的设备＃1可以与具有相同zigbee网络的医疗保健配置文件中的设备＃2共存。

此外，兼容zigbee 3.0的设备支持与LAN和WAN等IP网络的连接。因此，这些设备可以形成物联网网络。因此，来自不同制造商的产品可作为单个网络设备一起通信 Zigbee 3.0基于IEEE 802.15.4标准规范，支持2.4 GHz全球频段。它使用zigbee PRO版本。

以下是zigbee 3.0的功能：
?低功耗：符合Zigbee 3.0标准的设备支持低功耗和低数据速率。物联网设备需要长寿命电池。因此，该标准广泛用于物联网（IoT）网络。 
?可靠且稳健：zigbee 3.0支持网状拓扑，因此这种网络将避免单点故障，从而确保数据包的可靠传输。 
?可扩展：可以在zigbee 3.0网络中随时添加设备。 
?安全：它支持AES-128加密类型，因此它是安全的网络。 
?全球标准：2.4 GHz频段在全球广泛使用，用于基于zigbee 3.0的设备。因此它是一个全球标准。
从以上几点可以很容易地得出zigbee 3.0和其他版本的zigbee标准之间的差异。
请参阅Zigbee教程，了解zigbee网络及其组件。

Zigbee 3.0协议栈

图1描绘了zigbee 3.0协议栈。如图所示，它由PHY，MAC，网络和应用层组成。与以前的zigbee版本相比，这些更改已合并到zigbee 3.0中的应用程序层中。网络层在上层即应用层和PHY / MAC之间进行切换，如IEEE 802.15.4标准中所定义。

zigbee 3.0协议栈包含zigbee基础设备层，为调试网络中的新节点提供了一致的行为。

安全层也得到了增强，这里支持两种安全模式。 
集中：此模式由中央协调员管理。该协调员构成网络，并负责新加入节点的密钥分配。
分布式：此模式没有任何中央协调员。zigbee路由器本身管理网络中的对等路由器的网络建立和密钥分配。
图-3描绘了zigbee网络安全模式。

?Zigbee 3.0支持大约250个节点。 
?它还支持网络的动态特性。
?它支持在父节点丢失的情况下使用新父节点重新连接孤立节点。
?Zigbee 3.0提供与其他zigbee应用程序配置文件的向后兼容性，例如zigbee light link 1.0 profile，zigbee home automation 1.2 profile等。

Zigbee物理层（PHY）

Zigbee标准中有868 / 915MHz和2450MHz频段各有 两种物理层格式。采用BPSK调制的868-868.6 MHz zigbee频段提供约20Ksymbol / s。902-928 MHz频段通过BPSK调制提供约40 Ksymbol / s。通过O-QPSK调制，2400-2483.5 MHz提供约62.5 Ksymbol / s。

868/915 PHY层：

图中提到的PHY层是自解释的。第一个块是差分编码器。
En = Rn和En-1的EX-OR。 
其中，
Rn是被编码的原始数据位，
En是相应的差分编码位，
En-1是先前的差分编码位。

?位到芯片将每个位转换为15个芯片值，如IEEE 802.15.4-2003标准6.6.2.3节中所述。 
?这些芯片值使用BPSK调制器块进行BPSK调制。
?调制信号通过链中的升余弦滤波器。
?使用RF载波调制此滤波后的信号，并通过空中传输。

2450 PHY层：

?每个八位字节分为两个半字节，每个半字节为4位。这个半字节转换为十进制值0-15。
?这作为符号到芯片的输入，并且基于符号到芯片映射表，这些十进制值被转换成芯片。
?稍后芯片通过OQPSK调制器模块和半正弦波脉冲整形滤波器，然后转换为RF调制波形。

下面提到发送的PPDU分组格式。Zigbee PPDU帧由SHR（前导码4字节，SFD 1字节）+ PHR（帧长度1比特，保留1比特）+ PHY有效载荷（PSDU可变长度）组成

前导码由32个零组成，用于收发器接收器部分的码片和符号同步。SFD是8比特字段，用于在前导码和实际物理层数据之间进行隔离。帧长度是7位长并且指示PSDU中包含的八位字节的总数（即，PHY有效载荷）PSDU字段携带PHY分组并且长度可变。所有长度为5个八位位组或大于7个八位位组的分组类型，PSDU包含MAC子层帧（即MPDU）。

Zigbee参考文献

除了这个zigbee教程的内容，如果读者想要获得更多的知识，他们可以参考下面提到的IEEE标准。1. IEEE 802.15.4-2003标准
P1。请注意，本页提到的所有图表均来自IEEE标准，以演示zigbee概念。

ZigBee帧结构

zigbee物理层（PHY）帧 上的该页描述了PHY帧格式。它涵盖了前导码，SFD，帧长度，PSDU字段描述。

如通用分组格式的图所示，PPDU由前导码，SFD，帧长度和PSDU组成。前导码字段中有32个零并用于同步。

通用包格式

SFD字段格式

SFD字段是8比特字段（1个八比特组）。它是前导码和分组数据之间的分隔符。前导码和SFD组合均称为SHR。帧长度是PHR的一部分，如图所示。可变长度有效载荷携带MAC子层信息。

帧长度格式

所提到的帧长度是7比特长度并且表示PSDU或物理层帧有效载荷中包含的八位字节的总数。PSDU携带物理层信息。当分组长度为5个八位字节或更大时，PSDU还携带mac子层信息或MPDU。

zigbee MAC层

zigbee MAC层帧由MAC头，MAC有效载荷和FCS组成。下图描绘了MAC层zigbee技术中采用的通用mac帧格式。该部分也称为MPDU或MAC协议数据单元。这嵌入到zigbee的PPDU（物理PDU）帧中。

通用MAC帧格式

通用MAC层帧具有2个八位字节的帧控制字段。它携带有用的信息，例如帧类型，源和目标寻址模式。帧类型指定帧是信标帧，数据帧，数据ACK，MAC命令帧等。下面概述了“帧类型子字段”表，其中有3位。

帧控制字段

帧类型子字段

如下所示，信标帧携带帧控制字段和寻址字段以及序列号。广播获得附近zigbee设备的PAN ID。

信标帧格式

一旦建立连接，数据帧就携带数据。数据帧的格式类似于通用的mac帧格式，如下表所示。

数据帧格式

确认帧格式

MAC命令帧格式

Zigbee协议支持不同的命令帧用于差异用例，如下表所述。

MAC命令帧

ZigBee mesh结构

图1描述了常见的网络拓扑类型，即。星，树和网。该图显示了zigbee元素（例如协调器，路由器和终端设备）如何在这些不同的网络拓扑类型中连接。

通常在网状网络中，每个节点中继或路由数据直到它到达目的节点。网状网络在路由数据方面非常强大。在网格中，每个节点与其他节点协作，从而可以实现相等的数据分布。

网状网络的优点如下：
?扩展范围，因为它允许数据从节点跳到节点，并且在网络中容易插入任何节点。
?网络是自我修复类型，因为在任何节点发生故障或连接条件丢失的情况下，数据可以通过网络中的其他健康节点进行路由。

由于zigbee支持其设备之间的网状拓扑，因此它已成为非常流行的无线网状网络系统。它的开发旨在支持低数据速率和低功耗应用。

Zigbee Mesh网络基础知识

图2描绘了由协调器，路由器和终端设备组成的简单zigbee网状网络。在该网络中，所有节点都可以发送或接收数据，但它们具有特定的角色/功能。Zigbee是开放标准，因此不同供应商设备之间的互操作性可以毫无问题地完成。

?只需一名协调员即可组建zigbee网络。它存储有关zigbee网络的所有关键信息，包括加密密钥。
?路由器是中间节点，有助于在设备之间中继数据。
?终端设备有两种类型的缩减功能设备和全功能设备。减少功能的设备不能中继数据，并且会与其父设备（路由器/协调器）通信以执行中继。另一方面，全功能设备完成中继工作。Zigbee Mesh网络使用全功能设备。

Zigbee Mesh网络的特点

以下是Zigbee网状网络的功能。

Digi International开发了基于专有网格协议的无线zigbee系统，称为“DigiMesh”。与普通的zigbee网状网络相比，这种DigiMesh网络具有优势和劣势。DigiMesh允许所有节点上的睡眠功能。这将节省电池并延长其使用寿命。

原文地址：https://www.cnblogs.com/LearnFromNow/p/9555572.html