物联网--Zigbee协议：Zigbee协议架构以及数据帧结构

Posted 2023-04-09 爱吃鱼饼

上一篇整理了关于Zigbee协议的一些基础知识，接下来主要讨论Zigbee协议的架构，希望通过这篇文章能够帮助小伙伴们更好地理解Zigbee协议，废话不多说，进入正题吧。

文章目录

• 一、Zigbee协议架构
• 二、Zigbee协议的数据帧结构
• 总结

---

一、Zigbee协议架构

Zigbee协议的架构可以分为四层：

• 物理层（PHY）
• 媒体访问控制层(MAC)
• 网络层（NWK）
• 应用层（APS）
  

一部分是IEEE802.15.4定义的物理层和MAC层技术规范；另一部分是Zigbee联盟在IEEE802.15.4基础上对Zigbee协议的网络层协议和应用层定义的技术规范；

PHY层
1）ZigBee 设备的激活；
2）当前信道的能量检测；
3）接收链路服务质量信息；
4）ZigBee 信道接入方式；
5）信道频率选择；
6）数据传输和接收。
物理层定义了物理无线信道和MAC 子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据。物理管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。

MAC 层
1）网络协调器产生信标；
2）与信标同步；
3）支持PAN(个域网)链路的建立和断开；
4）为设备的安全性提供支持；
5）信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入（CSMA-CA）机制；
6）处理和维护保护时隙(GTS)机制；
7）在两个对等的MAC 实体之间提供一个可靠的通 信链路。

NWK层
1）产生网络层的数据包：当网络层接受到来自应用子层的数据包，网络层对数据包进行解析，然后加上适当的网络层包头向MAC传输。
2）网络拓扑的路由功能：网络层提供路由数据包的功能，如果包的目的节点是本节点的话，将该数据包向应用子层发送。如果不是，则将该数据包转发给路由表中下一结点。
3）配置新的器件参数：网络层能够配置合适的协议，比如建立新的协调器并发起建立网络或者加入一个已有的网络。

APS层
Zigbee应用层包括应用支持子层APS、应用框架AF、Zigbee设备对象ZDO。它们共同为各应用开发者提供统一的接口。
-应用支持子层APS
负责提供一个数据服务给应用和Zigbee设备规范。也提供一个管理服务以维护绑定链接和它字节绑定表的存储。应用框架AF提供了一个如何在Zigbee协议栈上及案例一个规范的描 述。它规定了规范的一系列的标准数据类型，协助服务发现的描述符，传输数据的帧格式等等。
-Zigbee设备对象ZDO
ZigBee设备对象(ZDO)定义了一个设备在网络中的角色 （协调器、路由器或者终端节点），发起或者应答绑定和发现请求，并在网络设备间建立一个安全关系。它同时也提供定义了Zigbee设备规范里的一套丰富的管理指令。

二、Zigbee协议的数据帧结构

在上面提到过Zigbee协议是在IEEE 802.15.4的基础上建立起来的，所以在了解Zigbee协议的数据帧格式之前，先让我们看看IEEE 802.15.4协议定义的数据帧结构，下图是其数据帧结构图。

由IEEE 802.15.4数据帧结构图可以看到各个帧结构的组成，IEEE802.15.4定义的数据帧有两层，MAC层数据帧嵌套在PHY层的数据域中：
SHR（同步帧头）：

• Preamble Sequence（同步序列码）
• Start of Frame DElimiter（帧定界符）

PHR（物理层数据帧头）：

• Frame Length（帧长）

PSDU（物理层数据域）：

• MPDU（MAC层数据帧）
     MHR：
       Frame Control（帧控制）
       Data Sequence Number（数据包序列号）
       Address Information（地址域）
     MSDU（有效载荷）：
      Data Payload（MAC数据域）
     MFR（帧校验）：
      FCS（帧尾）

以上就是IEEE802.15.4协议定义的数据帧格式，Zigbee协议的数据帧格式其实就是在MAC层的数据域上增加了NWK、APS两层的数据帧，其数据帧格式结构图如下：

总结

RFID与Zigbee优缺点对比 (无线AP对物联网支持协议)

        对于大型移动性强的物体，RFID技术仍然存在许多问题，特别是读写距离问题，然而结合网络通信功能的Zigbee技术，无疑给身份识别和管理技术注入新的强大的活力。 

　　身份识别是人们生活和生产管理中非常重要的一件事，为了便于管理人们将个人，车辆，货物进行了编号，这就产生了身份证号，银行卡号，车牌号，条形码等。人们使用了条形码读码器，刷卡机等设备将这些编号读进计算机，进行数字化处理以提高管理的效率.为了进一步改进这个数字化的手段，人们又发明了射频卡(RFID)技术。然而，对于汽车，集装箱等大型移动性强的物体，RFID技术仍然存在许多问题，特别是读写距离问题，读写系统工作灵活性问题，更多的数据储存和功能扩展问题等，......。而在这些问题上，一种新的微功率单芯片收发机通信方式，特别是结合网络通信功能的Zigbee技术，无疑给身份识别和管理技术注入新的强大的活力。

　　1.专门用于长距离识别的的有源RFID系统，不仅读写器往往需要固定位置安装，对RFID卡的方向位置和读写器天线的方向的匹配还有一定的要求，因而系统的灵活性大受限制，而且整个系统(包括有源卡)的成本已经不再便宜.

　　2.RFID系统中的标签与读写器之间是一种主从关系，它们之间的通信完全依赖于RFID标签耦合或反射出的信号。而要通过这种通信方式来增加通信距离非常困难。因而，它们不得不在读写器上下工夫-提高接收灵敏度，在发射天线上下工夫-增大发射功率，以及增加发射接收的方向性，因而，不仅提高了成本，而且更加降低了它的安装和使用的灵活性，此外，当高频微薄的发射功率过大时，它不仅超出国家无委会的功率限制，还有可能对人体带来伤害。

　　实际上， 当使用RFID在进行远距离读写时，它已经超出了它最初设计的应用领域，即作为一种代替条码标签的低成本，近距离的射频身份识别系统的领域。而进入到微功率无线收发机的领域。RFID系统中的标签与读写器之间的主从通信关系，与微功率收发机之间的对等通信关系比起来，在远距离通信上，RFID系统当然处于劣势，而且，在使用灵活性和多功能方面，根本就无法与微功率收发机相比。

　　RFID 的优点是标签便宜，使用寿命长。当RFID变成有源时，价格优势也就丧失了。微功率收发机通过在降低成本，降低功耗，在用电管理上，在通过睡眠唤醒功能上的改进，已经大大缩小了这个差距;当微功率收发机特别是采用直序扩频通信方式，低功耗的Zigbee微功率收发机问世以后，在远距离身份识别和无线网络定位领域，就显示了无以伦比的优越性。

　　我们这里还想要说明的是，目前市场上微功率单芯片收发机有许多种，它们的的通信方式也各有不同，因而工作的可靠性和抗干扰能力也有很大的差别，特别是在一般干扰很强的工业现场环境，无线通信设备的抗干扰特性非常重要，它是一个无线收发设备能否在现场工作，和它是否能在现场可靠地工作的决定因素。现在市场上有一种SuperRFID，它们就是由一种微功率收发机单芯片做成的，但它并没有使用抗干扰能力强的直序扩频(DSSS)方式，因而，在使用时特别要注意避免环境干扰。不仅如此，由于SuperRFID通信方式要求较高的信噪比，因而，在接收灵敏度相同的条件下，它的通信距离要短得多，现有的SuperRFID的接收灵敏度一般只有-90dBm，因而，为了增加读写距离，SuperRFID也只能在读写器上下功夫，加强天线的方向性以提高天线增益，同时提高发射功率和读写器的接收灵敏度。这也就增加了读写器的成本。

　　应该说，RFID在低成本近距离身份识别，以及某些距离不太远的身份识别领域，有它不可替代的优越性，但毕竟有一个范围。

　　我们的读写系统使用的微功率单芯片收发机，使用的是抗干扰能力强，保密性好，工作可靠的直序扩频的通信方式，我们不仅可以向你提供几百元一个的读写器，而且体积也非常小(可以做到火柴盒大小，还包括天线)此外，我们还可以向你提供相关的技术支持，使你可以很快开发出使用这种技术的应用集成系统。