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大佬帶你了解Zigbee網絡，Zigbee網絡全方位介紹

時間：2020-10-21 10:39:02

關鍵字： Zigbee 指數智能家居

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[導讀]Zigbee是一種無線上網協(xié)議，在智能家居等方面，Zigbee得到眾多應用。為增進大家對Zigbee的了解，本文將對Zigbee進行全面講解。

Zigbee是一種無線上網協(xié)議，在智能家居等方面，Zigbee得到眾多應用。為增進大家對Zigbee的了解，本文將對Zigbee進行全面講解。如果你對Zigbee具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

ZigBee采用802.15.4標準作為其對等通信的基礎。該標準由ZigBee聯(lián)盟(ZigBee Alliance)開發(fā)并管理。ZigBee Alliance是一家投資于該標準并在無線領域進行推廣的聯(lián)合組織，并且日益為業(yè)界所關注。不過ZigBee擁有自己獨特的應用功能，用戶應對此進行充分了解，而不是倉促地將其應用于所有的低功耗無線應用領域。

ZigBee最常用作異步通信標準，其具備CSMA/CA通道接入能力，并擁有802.15.4標準所述的所有功能。針對相同市場領域的情況下，相比之下ZigBee可為尋求準擔保信息交付、大規(guī)模輕松網絡集成以及設備間互操作性的開發(fā)人員提供眾多優(yōu)勢，同時還提供眾多802.15.4標準不能直接解決的較高級別網絡問題的解決方案。

ZigBee網絡的實施有三種拓撲，如下圖所示。與802.15.4類似，ZigBee支持對等通信與星型配置。ZigBee在802.15.4規(guī)范之上添加了路由協(xié)議與層級網絡尋址方案，可實現群集樹拓撲結構(具有相同PAN ID)以及多跳網狀網絡拓撲。

圖1：ZigBee的拓撲結構

這些拓撲結構均由可實現三種邏輯抽象功能之一的802.15.4FFD和RFD節(jié)點提供支持。必須為FFD的ZigBee協(xié)調器將啟動網絡和管理網絡連接與安全密鑰等大多數網絡參數，是路由消息不可分割的組成部分。ZigBee路由器也必須為FFD，負責轉發(fā)往返于其他網絡節(jié)點的消息，并實現ZigBee網絡的網狀網特性，同時擴展網絡的總體覆蓋范圍。ZigBee協(xié)調器與路由器一般由主電源供電，因為它們應能夠在任何時間接收和傳輸消息。如果預計應用的數據傳輸是周期性的，則ZigBee也可以采用802.15.4同步網絡的TDMA消息傳輸協(xié)議。ZigBee終端設備以RFD方式實施，可以最大限度地減少其占空比和資源要求，從而實現采用電池供電并長期工作的目的。深圳無線龍推出的LBee系列Zigbee無線模塊更是讓Zigbee應用變得簡單。

ZigBee理想適用于具有下列要求的應用：

● 采用標準化的物理層與較低層協(xié)議(IEEE 802.15.4);

● 標準化的較高層協(xié)議(比如網狀網拓撲，多跳等);

● 全面互操作性，甚至達到應用層級別(公共配置文件);

● 設計與開發(fā)要求低(僅限于應用);

● 技術支持與維護廠商/供應商之間競爭激烈。

ZigBee可接受下列劣勢：

● ZigBeel Alliance成員費用;

● 認證費用(如果不專門針對符合ZigBee或者ZigBee認證的產品則無需此費用);

● 代碼量(功能性的開銷可能大到難以使用);

● 無線電廣播通道限制(限于在IEEEl 802.15.4中指定的通道)。

上述所列各項表明需要對許多項目進一步澄清，因此首先對標準化的較高層協(xié)議進行描述。與802.15.4相比，如圖4所示，ZigBee可向上實施至OSI無線應用網絡模型的傳輸層，甚至能夠達到部分會話層。

圖2：ZigBee的OSI網絡模型。

對802.15.4協(xié)議最突出的三項新特性是網狀網路由算法，一個功能強大的安全實施，以及應用級抽象以在目標市場領域中實現設備與可互操作“應用配置文件”的強大關聯(lián)性。

ZigBee網絡的網狀網路由算法使其成為網絡上終端設備之間數據交付的極可靠方式。除了能夠在網絡中確保分組交付的可選端到端確認，ZigBee還定義了能夠圍繞故障節(jié)點進行通信的路由發(fā)現算法，這也稱為ZigBee的通信自愈能力。路由發(fā)現是一種可由任何路由器設備啟動并始終針對特定目的地執(zhí)行的最短路徑算法。計算的原理是由于每個節(jié)點都一直保留著至所有相鄰設備的“鏈接成本”記錄，其中鏈接成本是測量所接收信號的信號強度。累加沿路由所有鏈接的鏈接成本就可得出“路由成本”，并可計算網絡中每個路由的路由成本。

節(jié)點可以通過向其相鄰設備廣播針對特定目的地的路由請求(RREQ)數據包來請求路由發(fā)現。每當某節(jié)點接收RREQ時，其就會向路由成本累加其鏈接成本，然后再相應廣播RREQ。這種情況將反復進行，直至所有RREQ均到達目的地設備。然后目的地設備將選擇路由成本最低的RREQ數據包，并廣播路由回復(Route Reply)。當RREP數據包返回至源地，所有中間節(jié)點將更新它們的路由表，指示通往目的地的路由。這樣，節(jié)點可丟失至下一跳的連接，并向網絡發(fā)送路由錯誤(RERR)數據包，以便在下一次有人試圖向其發(fā)送消息時，就會啟動新的路由發(fā)現。

ZigBee可實施廣泛的安全措施。ZigBee采用三種安全性密鑰，即用于長期安全性的主密鑰、加入網絡的網絡密鑰，以及用于對等通信的加密密鑰。采用AES-128位加密標準執(zhí)行加密。在檢驗消息的完整性方面，ZigBee采用MIC-128，即消息完整性代碼。此外，通過使用協(xié)調器作為信任中心從單個節(jié)點管理所有安全性，網絡還能夠定期選擇對對稱加密密鑰進行更新，從而實現安全通信的無限管理。

不過，應用級抽象可能是ZigBee最具有競爭力的特性?？梢詫γ總€節(jié)點進行匯編以容納多達270個“端點”或者應用。舉例來說，每個端點都可以代表一個電燈開關或者一個燈泡(燈泡01、燈泡02等)。每個端點可以接受任意類型的數據，也可以發(fā)送任意類型的數據。從某端點輸出到另一端點的輸入數據有單個描述符，一般稱為群集(Cluster)。為繼續(xù)使用燈泡作為例子，假定被命名為“l(fā)ight_status_on_off”的燈泡開關狀態(tài)是這些稱為群集的數據描述符之一。然后，每個端點就可以根據端點ID(1-270)及其群集列表(接收或者傳輸的數據類型)進行描述。在群集匹配的情況下，就可以進行一對一或者一對多端點的邏輯綁定。在該例中，某一燈泡開關可以與任一或者所有被描述為支持“l(fā)ight_status_on_off”群集的燈泡邏輯綁定。這種應用級的一對一或者一對多綁定是ZigBee協(xié)議功能強大的特性。

圖3：ZigBee的綁定表可用于即時控制更改。

如果ZigBee Alliance當時定義了群集列表和解釋端點間群集流的方法，就可以為特定應用(如電燈開關/電燈泡等)指定標準，且無需擔心用于實施應用的具體硬件。ZigBee Alliance正好已經完成了這項任務，將這些標準稱為應用配置文件，從而不僅使來自不同廠商的應用能夠完全實現互操作性，而且還加強了ZigBee低功耗無線網絡目標市場領域的整體競爭性。

如果互操作性不是設計人員的主要意圖，ZigBee Alliance還可以讓設計人員定義不共享的企業(yè)專用型應用配置文件。為簡明扼要，我們就不對ZigBee實施的其他特性進行詳細討論了，這些特性包括群組尋址、頻率捷變、會話故障的自動重加入和協(xié)議最新版本ZigBee 2007(也稱為ZigBee PRO)提供的系列附加特性。ZigBee PRO基本上仍屬于ZigBee標準范疇，但在編輯時增加了用于優(yōu)化支持超大網絡集成的特性。

采用ZigBee協(xié)議進行產品設計的劣勢包括與開發(fā)ZigBee產品相關的成本：按年支付給ZigBee Alliance的成員費用、認證產品是否符合ZigBee的費用以及協(xié)議本身的存儲器占用。ZigBee協(xié)議加載的特性很難在每項應用中都得到充分利用，從而在定制解決方案的情況下需要設計額外的存儲器資源。在某些情況下，對存儲器與資源的要求甚至可以限制到最終應用級。因此，部分企業(yè)推出了具備集成MCU、預加載了ZigBee軟件協(xié)議棧的無線電廣播組件，其運行則由少量API對另一個以應用為中心的MCU的調用來控制。通過采用SPI通信來更新ZigBee芯片的配置，應用MCU可以免受協(xié)議對存儲器與資源要求的限制，可以有效地處理其他應用任務。

家庭安全網絡

第二與第三個例子將顯示出，如果要求略有變動就會導致選擇不同的協(xié)議。本系統(tǒng)是一個在已裝修好的家居環(huán)境中安裝的家庭安全網絡，因此重新布線會花銷太大。我們可選配安裝幾種不同的傳感器，如煙霧傳感器、玻璃破損傳感器、運動傳感器以及門禁控制感測(access control)等。每個傳感器都與基站通信，然后基站再與家庭安全監(jiān)控公司通信。該系統(tǒng)應能夠與其它傳感器實現互操作性，舉例來說，從一家公司采購的煙霧檢測器可以配合另一家公司生產的運動檢測器。該網絡必須具有高度安全性，以防竊聽或篡改。設計進度安排能允許工程師有一定的學習時間，以加快網絡協(xié)議的設計工作。深圳無線龍推出的Zigbee無線傳感器網絡開發(fā)平臺，適合廣大的設計開發(fā)者做二次開發(fā)應用。

● 應用方面的考慮事項：

● 家庭安全網絡;

● 煙霧檢測、玻璃破損、運動檢測以及占用檢測等;

● 基站必須向家庭安全監(jiān)控公司傳輸數據;

● 用戶界面必須直觀易懂;

● 需要遵循業(yè)界標準;

● 應能夠從不同廠商技術之間的互操作性及其相關支持方面受益***;

● 穩(wěn)健性與可靠性;

● 關鍵的設計標準;

● 系統(tǒng)必須具有高度的安全性，以防篡改、竊聽;

● 易用性;

● 需要標準化的實施方案實現可靠性與安全性***;