ZigBee协议

Posted 2021-01-02 learnfromnow

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。

zigbee  PHY版本	频率 波段（MHz）的	芯片速率 （kchip / s）	Modu-  特征研 型	比特率 （kb / s）	符号 率 （ksymbol / s）	SYMS
868 MHz  频段	868-  868.6	300	BPSK	20	20	二进制
915 MHz  频段	902? 928	600	BPSK	40	40	二进制
2450 MHz  频段	2400-  2483.5	2000	OQPSK	250	62.5	16-ary  正交

以下是915 MHz频段的1-10个zigbee频道。

ZigBee通道，915 MHz ISM频段

 

zigbee频道（1-10）	中心频率（MHz）
1	906
2	908
3	910
4	912
五	914
6	916
7	918
8	920
9	922
10	924

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频道（11-26）	中心频率（MHz）
11	2405
12	2410
13	2415
14	2420
15	2425
16	2430
17	2435
18	2440
19	2445
20	2450
21	2455
22	2460
23	2465
24	2470
25	2475
26	2480

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

 

字节：4	1	1		变量
前言	SFD	帧长（7位）	保留（1位）	PSDU
SHR		PHR		PHY有效载荷

SFD字段格式

 

位：0	1	2	3	4	五	6	7
1	1	1	0	0	1	0	1

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

 

帧长度值	有效载荷
0-4	保留的
五	MPDU（ACK）
6-7	保留的
8到aMaxPHYPacketSize	MPDU

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

 

八位位组：2	1	0/2	0/2/8	0/2	0/2/8	瓦尔	2
帧控制	序列号	目标PAN ID	目的地址	源PAN ID	来源地址	帧有效载荷	FCS
		寻址领域
MHR						MAC有效载荷	MFR

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

 

比特： 0-2	3	4	五	6	7-9	10-11	12-13	14-  15
框架 类型	安全性已 启用	框架 待定	确认。 请求	内部 PAN	保留的	目的地。 Addre-  ssing  模式	保留的	来源 Addre-  ssing  模式

帧类型子字段

 

帧类型 值 （b2，b2，b0）	描述
000	信标 框架
001	数据 框
010	承认
011	MAC  命令
100-111	保留的

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

 

八位位组：2	1	4/10	2	VAR	VAR	VAR	2
帧 控制	序列 号	寻址 领域	超帧 规范	GTS字段	待定 地址 字段	信标 有效载荷	FCS
MHR			MAC有效载荷				MFR

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

 

八位位组：2	1	第 7.2.2.2.1 节 IEEE  802.15.4	变量	2
帧 控制	序列 号	寻址 领域	数据 有效载荷	FCS
MHR			MAC有效载荷	MFR

 

确认帧格式

 

八位位组：2	1	2
帧控制	序列号	FCS
MHR		MFR

MAC命令帧格式

 

八位位组：2	1	第7.2.2.4.1节IEEE 802.15.4	1	变量	2
帧控制	序列号	寻址领域	命令帧标识符	命令有效载荷	FCS
MHR			MAC有效载荷		MFR

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

 

命令帧ID	命令帧
0×01	关联请求（Tx）
0×02	关联响应（Rx）
×03	解除关联通知（Tx，Rx）
0×04	数据请求（Tx）
0×05	PAN ID冲突通知（Tx）
0×06	孤儿通知（Tx）
0×07	信标请求（Tx）
0x08的	协调员重新调整（Rx）
×09	GTS请求
0x0A至0xFF的	保留的

 

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。 

产品规格	Zigbee Mesh支持
IEEE标准	802.15.4-2003定义了PHY和MAC层，上层由zigbee联盟管理。
经常运作	支持2.4 GHz，900 MHz和868 MHz
数据速率	不同频段的250 Kbps，40 Kbps，20 Kbps
睡眠操作	只有终端设备可以休眠，协调器和路由器无法休眠，因此新的终端设备可以轻松加入zigbee网状网络。
覆盖范围	大多数设备在传输过程中每跳的流量范围为3.2 Km或更小。
加密/安全	使用AES加密
Zigbee帧有效载荷大小	80bytes
不同供应商设备之间的互操作性	可能因为它是开放标准
解决	支持两种类型的64位大小的MAC寻址和大小为16位的网络寻址。

 

 

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。