Zigbee基础理论知识总结

Posted 2022-01-27 ORI2333

Zigbee基础理论知识总结

• 前言
• 章节
• Zigbee概述
• • 概念
  • 特点
  • 芯片
  • 协议栈
  • 开发环境
• Zigbee技术原理
• • 网络结构
  • 网络体系
  • • 拓扑结构
  • 协议架构
  • • 物理层
    • • 工作频段分配
      • 信道分配
      • 物理层服务规范
      • 数据的发送与接受
      • 物理能量信道的检测
      • 射频收发器的激活与关闭
      • 空闲信道评估（CCA）
      • 链路质量指示
      • 属性参数的获取与设置
    • MAC层
    • • 功能
      • 服务规范
      • PAN的建立和维护
      • 信标帧
      • ==帧结构===
      • • 一般结构
      • 特定结构
    • 网络层
    • • 功能
      • 帧结构
    • 应用层
    • • 构成
      • • 节点地址和端点号
        • 间接通信和直接通信
        • 簇
      • 应用支持子层
      • 应用框架
      • 设备对象
      • • Zigbee协调器
        • Zigbee路由器
        • Zigbee终端设备

前言

此文简要重点而写，中间会加入一些自己的理解。 相关基础开发应用可看下专栏其他文章，后续也会更新协议栈开发相关文章，本文将基础原理进行总结归纳。

章节

• Zigbee概述
• zigbee技术原理
• zigbee硬件设计
• CC2530基础开发
• 无线射频与MAC层
• Zstack协议栈
• Zstack应用开发

Zigbee概述

章节重点： 概念、特点、常见芯片、协议栈、开发环境

概念

一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信技术。

适用场景：距离短、功耗低且传输速率不高、周期性数据、间歇性数据、低反应数据

特点

1. 低功耗
2. 低成本
3. 大容量（既可以适用64位IEEE地址又可以用短地址，在一个单独的Zigbee网络可以荣男65536个设备）
4. 可靠（CMSA/CA,RCC，安全模式）
5. 延时短
6. 灵活的网络拓扑结构（星型、树型、网状型；单跳、多跳）

芯片

CC2530

• CPU和内存
• 时钟和电源管理
• 外设
• 无线设备

协议栈

Zstack（版开源 TI公司 内嵌OSAL操作系统）

开发环境

• IAR
• Zigbee Sniffer （Zigbee嗅探器），用来分析Zigbee各层帧结构的程序，需要搭配嗅探器设备。

Zigbee技术原理

章节重点： 网络结构、网络体系、协议架构、IEEE802.15.4通信层、MAC层和网络层帧结构、网络层服务规范、应用层规范

网络结构

• 网络协调器，整个网络的中心，建立、维持和管理网络、分配网络地址等，等同网络“大脑”。
• 网络路由器，负责路由发现、消息传输、允许其它节点通过它接入网络。
• 终端节点。通过上述其一进入网络，负责数据采集或控制功能

网络体系

分为4层，自上而下为：

【网络层（NWK）和应用层】Zibee联盟定义
【物理层、媒体访问控制层（MAC）】合称IEEE802.15.4通信层

拓扑结构

• 星型，END只和协调器之间进行通信。
• 树型，设备只能与自己的父节点或者字节点通信。
• 网状型，在树型的基础上，允许网络中所有具有路由功能的节点相互通信。

协议架构

物理层

主要功能： 工作频段的分配，信道的分配，为MAC层服务提供数据服务和管理服务

工作频段分配

三个工作频段

• 2.4GHz，能够达到250kb/s的传输速率，一共有16个信道。
• 915MHz，传输速率为40kb/s，10个信道。
• 868MHz，传输速率20kb/s，1个信道。

信道分配

27个信道，编号k为0~26。27个信道的中心频率和对应的信道编号定义如下：

物理层服务规范

实现数据链路实体间透明地传输各种数据比特流。提供的主要服务为：物理层连接的建立、维持与释放，物理服务数据单元的传输，物理层管理，数据编码。

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物理层管理服务访问接口（Physical Layer Management Entity，简称PLME-SAP），PLME-SAP除了负责在物理层和MAC层之间传输管理服务之外，还负责维护物理层PAN信息库（PHY PIB）。
物理层数据服务访问接口（Physical Data SAP，简称PD-SAP），PD-SAP负责为物理层和MAC层之间提供数据服务。

数据的发送与接受

通过PD-SAP(数据服务) 提供的PD-DATA原语完成的，它可实现两个MAC子层协议数据单元的传输。

物理能量信道的检测

在构建新的网络前，需要扫描所有信道，为网络选择一个空闲的信道，通过物理信道能量检测来实现。
一个信道被别的网络占用，在信道能量上的值是不一样的。

• 能量检测请由MAC子层产生。
• 能量检测确认由物理层产生。

射频收发器的激活与关闭

低功耗，不需要是关闭底层射频收发器。

空闲信道评估（CCA）

802.1.4标准的MAC子层采用CSMA/CA机制访问信道，前提要探测当前物理信道是否空闲。物理层提供CCA检测功能。

链路质量指示

有时需要根据链路质量选择路由（信号的好坏），物理层可顺带返回当前LQI值（信号质量）。LQI值可以用信号接受强度指示器（RSSI）来表示。

属性参数的获取与设置

每一层协议都有相应的PAN（信息库），里面存放属性参数。

MAC层

功能

• 采用CSMA/CA机制来访问信道
• PAN（个域网）的建立和维护。
• 支持PAN网络的关联（即加入网络）和解除关联（退出网络）
• 协调器产生网络信标帧，普通设备根据信标与协调器同步
• 处理和维护保证GTS
• 在两个对等MAC实体间提供可靠链路

服务规范

MAC管理服务调用管理服务接口，维护PAN信息库

MAC数据服务提供数据服务接口，为网络层数据添加协议头，从而实现MAC层帧数据。

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CSMA/CA工作原理
目的： 避免信道碰撞问题。
方法（两种）：

• （1）发送数据前，监听信道使用情况，持续一段时间，再等待一段随机时间后该信道依然空闲，则发送数据。 （由于每个设备随机时间不一样，所以可以减少冲突的发生，并不能完全避免）
• （2）“握手判断”，发送前，先发送请求RTS报文给目标端，的能带目标端回应CTS报文后才开始发送。（可确保不会碰撞）

PAN的建立和维护

协调器上电，扫描已有网络，选择空余信道与PANID，构建网络。

信标帧

• 得知协调器里是否有发送给自己数据
• 何时关闭和启动射频

帧结构=

全称：MAC协议数据单元（MPDU），由一系列字段按照特定的顺序排列而成的。

一般结构

MAC帧头（MHR）、MAC有效载荷、MAC帧尾（MFR）

• 目的PAN标识码。目的PAN字段长度为16bit，指定接受设备所在的PAN标识。
• 目的地址字段。帧期望接受设备的地址。
• 源PAN标识码。源PAN长度为16bit，发送设备的PAN标识码。 一个设别的PAN标识码是初始关联PAN时获得的，在冲突时可能发生变化。
• 源地址字段。发送设备的地址。
• FCS字段，CRC校验码。

特定结构

• 信标帧。实现网络中设备的同步工作和休眠，建立PAN主协调器。
• 数据帧。传输 上层发到MAC子层的数据。数据负载传送至MAC子层时，被称为MAC服务数据单元，首位会进行封装。
• 确定帧
• 命令帧

网络层

功能

• 建立新网络
• 允许设备加入或离开，为设备分配内部逻辑地址、建立和维护邻居表

帧结构

网络层协议数据单元（NPUD）

• 目的地址。根据广播标志子域值，16bit 设备网络地址、广播地址 or 目的组播得Group ID。
• 源地址。源设备得网络地址。
• 半径域。 长度为8bit，每接收一次帧数据时，广播半径减1，广播半径决定传播半径。
• IEEE目的地址。若存在则包含在地址头中的目的地址16位网络地址对应的64bitIEEEE地址中。
• IEEE源地址。同上
• 多点传送控制。组播时存在。

应用层

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构成

应用支持子层（APS）、Zigbee设备对象、Zigbee应用框架（AF）、Zigbee设别模板和制造商定义

节点地址和端点号

• 节点地址：分两种，64bit IEEE地址（MAC地址），16位网络地址（短地址，由协调器分配）
• 端点号：协议栈应用层的入口，描述一个设备所定义的群集。每个zigbee设备最多可支持240个端点，每个设备上可以定义240个应用对象，其中端点0用来保留设备对象接口，端点255被保留用于广播，241~245用于将来扩展使用。

间接通信和直接通信

• 间接通信，两个节点在应用层上建立起一条逻辑链路。
• 直接通信，使用接节点地址通信（偏底层）

簇

消息的类型

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应用支持子层

功能：负责应用支持子层数据单元APDU的处理、数据传输管理和维护绑定列表

APS通过一组通用的服务位网络层和应用层之间提供接口。

应用框架

功能： 组合事务（若干个事务组合成一个帧，大事务分成多个帧）、接收和拒绝

设备对象

应用程序通过端点0与Zigbee堆栈的其他层通信，从而实现各层的初始化和配置，附属在端点0的对象被称为Zigbee设备对象。
ZDO功能：初始化应用支持子层、网络层和其他Zigbee设备层；汇聚来自端点应用的信息，以实现设备和服务发现、网络管理、绑定管理、安全管理、节点管理等功能。

Zigbee协调器

功能：

• 接受设备加入到网络，或者将一个设备与网络断开连接。
• 响应其他设备请求的设备服务和服务发现，包括对自己的请求和对自己的处于睡眠状态的子设备的请求。
• 支持Zigbee设备间的绑定功能等。保证绑定项的数目不能超过属性规定值。
• 维护当前连接设备列表，接收孤立扫描，实现孤立设备与网络重新连接。
• 接收和处理终端设备的通知请求等工作。

Zigbee路由器

功能：

• 允许其他设备与网络建立连接。
• 接受、执行将某设备从网络中移出的命令。
• 响应设备发现和服务发现。
• 应当维护一个与其连接的设备列表，允许设备重新加入网络。

Zigbee终端设备

Zigbee终端设备在初始化时首先为工作中需要的参数设置初始值；其次，开始发现网络的操作，并选择一个合适的网络与之连接；连接后使用自己的IEEE地址和网络地址发出终端设备通知信息。 在正常操作状态下，终端设备应响应设备发现和服务发现请求，接收协调器发出的通知信息，检查绑定表中是否存在与它匹配的项等。在安全的网络中还应完成各种密钥的获取、建立和管理工作。

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可以关注本专栏，后续会更新Zstack开发。