技术分析Zigbee入门

Posted 2021-06-02 AshiningFAE

A40系列模块是基于TI Z-stack 2.5.1a Zigbee协议栈在CC2530片上芯片之上开发的符合zigbee 2007/Pro规范，自定义应用层通过指令控制，简化Zigbee应用的数传模块。

1.Zigbee技术特点

（1）低速率：数据传输速率只有20~250kb/s, 2.4GHZ提供250kb/s, 915MHz对应40kb/s, 868Mhz对应20kb/s

（2）低功耗：睡眠模式设备使用电池供电，可使用6个月~几年。如传感器、门锁等。

（3）低成本：协议简单，对硬件要求低，如TI使用8051单片机实现zigbee软件协议栈。

（4）容量大：理论上最大可接入65000个设备，实际接入过200~1000设备。

（5）时延短：指的是从睡眠状态转入工作状态接入网络，一般只需几十毫秒。传统蓝牙和Wi-Fi设备一般需要3~10s。

（6）大范围：10~100m之间点对点通信，大范围覆盖需要router设备中转实现。

（7）安全高：提供三级安全模式。

（8）传输可靠：CSMA/CA 冲突避免，簇树、AODVjr混合路由机制，MAC层需要接收方确认，重发机制（ARQ）APS层和应用层均可选确认机制。

2.Zigbee基础

IEEE802.15.4标准是针对低功耗、低成本无线网路要求，制定的低速广域网(LR-WPAN)标准。描述了网络OSI（开放式互联参考模型）的物理层(PHY)和媒体访问控制协议(MAC)。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准向上扩展了网络层(NWK)和应用层(APL)的规范。Zigbee 2007/Pro之前的规范标准都是定义到NWK，从Zigbee 2007/Pro开始为互操作性定义应用层，Pro指令集增强了网络性能，并针对性的定义了一些应用层，比如智能家居(HA)、建筑自动化(BA)、先进抄表基础建设(AMI)….等不同认证，相同认证的设备间具有互操作性。而今在最新的Zigbee 3.0标准中，应用层被广泛的完全定义，具有统一的互操作性。
Zigbee网络结构中定义了三种设备类型：协调器(Coordinator)、路由器(Router)和终端 (End Device)。
一个Zigbee网络由一个协调器同多个路由器及多个终端设备节点组成。
Zigbee网络有三种拓扑结构：星形拓扑(star)、树形拓扑(Tree)和网状拓扑(Mesh)。

3.Zigbee地址

Zigbee协议定义了两种网络地址：16bit的网络地址(短地址)和全球唯一的64bit IEEE地址（MAC地址）。当一个节点加入网络后，节点会按照分配算法得到一个16bit的网络地址，按照zigbee协议规定的网络延申规则，理论上一个Zigbee网络最大可以容纳65536(216)个节点，实际应用中因为资源限制和网络可靠性，Zigbee网路节点数与理论相差甚远。（比如我们A40系列模块由于协议栈对网络深度和子设备类型和数量的限制，理论网络设容量是31101个节点）

4.Zigbee设备类型

Zigbee网络结构中有三种设备类型：协调器、路由器和终端节点。一个zigbee网络由一个协调器、多个路由器和多个终端节点组成。如果A设备通过B设备接入网络，那么B就是A的父节点，A是B的子节点，A可以是路由器或终端，B可以是协调器或路由。

Coordinator(协调器)：
创建 Zigbee 网络。Coordinator 根据用户层定义扫描RF 环境自动选择（或可以指定）一个信道和相应的网络标识（PANID）后启动网络。如果在同一信道上存在一个相同 PANID 的 Coordinator，先启动的 Coordinator 会保持原来的 PANID，后启动的 Coordinator 会在原来选择或指定 PANID 的基础之上加+1（指定的不会变），以免引起 PANID 冲突。Coordinator 在网络中完成启动和配置后，它可完全被认为是一个路由器，只是不能加入其他网络。
注意：协调器不能加入其他网络，甚至PANID相同的网络，它是zigbee网络的起点，

Router(路由器)：
维护Zigbee网络。（1）加入网络并允许其它的路由器和终端节点加入网络，（2）路径查找并优化，转发数据包，(3)是辅助它的子节点进行网络通信。Zigbee协议以簇树(Cluster Tree)+AODVjr的混合路由机制通过路由器实现网络自愈、多级跳、低开销等功能。路由器需要由稳定电源供电，不能进入睡眠模式。为终端节点保存的数据直到终端节点获取后才能释放。

End Device(终端节点)：
Zigbee网络末端节点，可以发送和接收数据，不能进行数据的转发。可以以协调器或路由器作为自己的父节点。加入网络后，它会定期的轮询父节点，是否有自己的数据，同时它可以睡眠可以唤醒，因此会存在一定的延时，也可用电池供电。End Device 适合少量周期性的数据收发。

5.Zigbee拓扑结构

Zigbee网络有三种拓扑结构：星型Star、簇状Tree和网状Mesh。

**星形拓扑：**是最简单的一种拓扑形式，他包含一个Coordinator（协调器） 节点和一系列的 End Device（终端）节点。
每一个End Device 节点只能和 Co-ordinator 节点进行通讯。如果需要在两个 End Device 节点之间进行通讯必须通过Co-ordinator 节点进行信息的转发。
它的缺点是节点之间的数据路由只有唯一的一个路径，网络完全受Co-ordinator节点的资源的限制。实现星形网络拓扑不需要使用 zigbee 的网络层协议，因为本身IEEE 802.15.4的协议层就已经实现了星形拓扑形式，但是这需要开发者在应用层作更多的工作，包括自己处理信息的转发。

**树形拓扑：**是通过一个Coordinator连接一系列的 Router 和 End Device， Router再连接一系列的 Router 和End Device. 重复多个层级。
每一个节点都只能和他的父节点和子节点之间通讯。如果需要从一个节点向另一个节点发送数据，那么信息将沿着树的路径向上传递到最近的祖先节点然后再向下传递到目标节点。
这种拓扑方式的缺点就是信息只有唯一的路由通道。另外信息的路由是由协议栈层处理的，整个的路由过程对于应用层是完全透明的。

**Mesh拓扑（网状拓扑）：**形式和树形拓扑相同。但是网状网络拓扑具有更加灵活的信息路由规则，在Router可用射频范围内，非父/子节点的路由节点之间可以直接的通讯。Zigbee网络层具有路由发现功能，可以实现网络自愈、多级跳转和最优网络路径传输，并且这些功能是协议自动完成和优化，不需要应用层参与。