zigbee怎么用？zigbee的應(yīng)用之ZigBee學(xué)習(xí)筆記

作為一個(gè)硬件從業(yè)人員，雖然不是從事物理網(wǎng)行業(yè)的，但是多少得了解一些，以下是筆者最近學(xué)習(xí)Zigbee的筆記，包含了Zigbee基本知識(shí)，正確的學(xué)習(xí)方法。

Zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

先搞清楚IEEE802.15.4協(xié)議。

這個(gè)協(xié)議必須搞清楚，搞不定這個(gè)協(xié)議，Zigbee永遠(yuǎn)吃不透。其實(shí)學(xué)習(xí)這個(gè)很簡(jiǎn)單，如果學(xué)過(guò)TCP/ip的話，大家知道，我們要去掌握整個(gè)tcp/ip核心的話，我們要掌握以太網(wǎng)底層的一些協(xié)議，比如我們做驅(qū)動(dòng)，我們做開(kāi)發(fā)，如果說(shuō)不懂的話，是沒(méi)有辦法做項(xiàng)目的，更直白一點(diǎn)，沒(méi)法在工作中去解決實(shí)際的問(wèn)題。對(duì)于老板來(lái)說(shuō)，老板招人過(guò)來(lái)，就是要解決問(wèn)題的，如果沒(méi)有解決問(wèn)題的能力，那在職場(chǎng)中是沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力的。

ZIGBEE是什么？

在傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，大家耳熟能詳?shù)木褪莾煞N，藍(lán)牙和wifi。在物聯(lián)網(wǎng)的世界，也存在物與物之間存在信息溝通的橋梁，也是通過(guò)無(wú)線技術(shù)，最經(jīng)典的就是ZIGBEE技術(shù)，還有ZWAVE技術(shù)，不過(guò)ZWAVE在中國(guó)還是用得很少的。

為什么要引入zigbee呢？

有了Zigbee之后，全球才有了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的概念，Zigbee號(hào)稱我們商用的第一個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。

到目前為止，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是全球，Zigbee是商用最多的，Zigbee做出來(lái)的產(chǎn)品是很多的，在國(guó)內(nèi)，最典型的Zigbee應(yīng)用是在智能家居領(lǐng)域，目前在國(guó)內(nèi)推出的只能家居，絕對(duì)是Zigbee，為什么呢？

zigbee出來(lái)比較早，大概是在03年，Zigbee整個(gè)協(xié)議的這個(gè)技術(shù)現(xiàn)在變得很成熟。真正可商用化的產(chǎn)品，一定會(huì)選一個(gè)成熟的技術(shù)方案。

Zigbee能夠干什么?

Zigbee主要用于構(gòu)建無(wú)線局域網(wǎng)，如果這個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)用于傳感器的數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)就叫做無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN:Wirelss Sensor Network），是無(wú)線局域網(wǎng)的具體應(yīng)用。

Zigbee是屬于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的一種。

圖中Sink node叫做集中器，負(fù)責(zé)整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的管理和接入的，同時(shí)還負(fù)責(zé)和外圍交互，可以和PC，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接。

單純的一個(gè)Zigbee是沒(méi)有實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景的，現(xiàn)在使用的各種的物聯(lián)網(wǎng)終端，最起碼有一個(gè)app，需要用來(lái)觀看無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的信息，需要保證這個(gè)Sink node接入到我們的物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中來(lái)。

Zigbee特點(diǎn)

低功耗：6個(gè)月-2年，為什么是一個(gè)比較大的范圍呢？任何一個(gè)低功耗的傳感網(wǎng)絡(luò)，首先需要問(wèn)工作方式是什么，比如多長(zhǎng)時(shí)間獲取一次數(shù)據(jù)，多長(zhǎng)時(shí)間發(fā)送一次數(shù)據(jù)，才能得到具體的使用時(shí)間。

高可靠性：用tcp/ip來(lái)解釋，在tcp/ip協(xié)議中，有兩種經(jīng)典協(xié)議，TCP和UDP，一個(gè)是面向連接的，一個(gè)是無(wú)連接的，一個(gè)是可靠傳輸?shù)?，一個(gè)是不可靠傳輸?shù)?。無(wú)線連接本身存在不可靠性，zigbee針對(duì)這個(gè)做了一些高可靠性的機(jī)制。

低成本：開(kāi)源，免專利費(fèi)

碰撞避免機(jī)制，交互確認(rèn)的機(jī)制，保證可靠通信

低延時(shí)：設(shè)備搜索時(shí)延30ms，休眠激活時(shí)延典型值是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms

低數(shù)據(jù)量：Zigbee每個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊射頻前端的數(shù)據(jù)傳輸為250kbps

網(wǎng)絡(luò)容量大：Zigbee可以采用星形，樹(shù)形，網(wǎng)形的結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，而且可以通過(guò)任一節(jié)點(diǎn)組成更大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從理論上講，其可連接的節(jié)點(diǎn)多達(dá)65535個(gè)，其實(shí)就是一個(gè)16bit的數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中并沒(méi)有這么多，實(shí)際受限于硬件資源。所謂的硬件資源就是芯片的ram，flash，是否能夠容納這么多的節(jié)點(diǎn)，是否能夠管理。

高保密性：Zigbee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢驗(yàn)和鑒權(quán)的功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。----所有的無(wú)線傳輸，都是通過(guò)一個(gè)射頻的物理通道，任何人都可以利用zigbee協(xié)議開(kāi)放特性，通過(guò)射頻芯片發(fā)送數(shù)據(jù)包。但是與互聯(lián)網(wǎng)一樣，我們?cè)L問(wèn)網(wǎng)站的時(shí)候，為什么要用https，是因?yàn)榘踩珯C(jī)制，個(gè)人網(wǎng)絡(luò)不希望被人攻擊，這個(gè)時(shí)候需要考慮網(wǎng)絡(luò)的健壯性，保密性。Zigbee采用AES-128，并需要硬件支持

全球的通用性和完好的開(kāi)發(fā)性：由于Zigbee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，因此不同廠家芯片利用Zigbee通信將是輕而易舉的事情。如ti的方案，恩智浦的方案，只要都滿足Zigbee，互相通信將不是問(wèn)題。

Zigbee學(xué)習(xí)模式

單片機(jī)+Zigbee=學(xué)習(xí)模式

只花20%的實(shí)際學(xué)習(xí)單片機(jī)的外設(shè)，編程。要花80%的時(shí)間放在Zigbee協(xié)議棧。只有這樣才能用Zigbee來(lái)做項(xiàng)目，但是很多書籍都是大篇介紹單片機(jī)的使用，各種外設(shè)的使用。

學(xué)Zigbee其實(shí)學(xué)的是網(wǎng)絡(luò)編程。Zigbee的代碼量其實(shí)是挺大的，不要一上來(lái)就分析代碼，要明白整個(gè)協(xié)議的設(shè)計(jì)，才能明白代碼，才能讀懂代碼。

抓包分析：如果沒(méi)有抓包能力，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就沒(méi)法知道是上面什么意思，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不通的時(shí)候就沒(méi)法分析。如果掌握抓包能力，發(fā)的任何信息都能知道是上面意思，這樣才能把Zigbee掌握透徹。

Zigbee聯(lián)盟

Zigbee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)協(xié)會(huì)。

Zigbee硬件平臺(tái)

TI，Jennic，Silicon Labs

不同廠家都有自己硬件上的芯片，都有自己軟件的協(xié)議棧。

Zigbee協(xié)議棧

Zigbee協(xié)議實(shí)現(xiàn)的代碼庫(kù)

Zigbee協(xié)議棧，有一個(gè)分層的概念。不管是軟件還是硬件項(xiàng)目，達(dá)到一定規(guī)模之后，都要進(jìn)行分層，不分層的話，項(xiàng)目的管理，可擴(kuò)展性等等效率問(wèn)題解決不了。

Zigbee分層

最下面是IEEE802.15.4是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了協(xié)議的物理層和MAC層，再上面是Zigbee的網(wǎng)絡(luò)層Zigbee NWK（network）和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層又分很多模塊，為什么呢？

首先網(wǎng)絡(luò)分層以后，要有加密特性（Security），再往上是一個(gè)Zigbee應(yīng)用支持的子層，在網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間又開(kāi)辟了一個(gè)子層（Zigbee ApplicaTIon Support Subplayer（APS））這個(gè)層起到承上啟下的作用。承上指的是給整個(gè)Zigbee應(yīng)用的框架。

Zigbee會(huì)根據(jù)不同的場(chǎng)景（ApplicaTIon Object），比如智能家居，能源，工業(yè)等等不同的場(chǎng)景，有一個(gè)庫(kù)的概念。

針對(duì)設(shè)備終端的管理，又有單獨(dú)的一個(gè)層，Zigbee Device object。

學(xué)習(xí)Zigbee就是學(xué)些Zigbee層與層之間的實(shí)現(xiàn)，或者說(shuō)掌握層與層之間的交互，只有把各個(gè)功能模塊之間了解清楚，Zigbee才有可能吃透。

IEEE802.15.4協(xié)議

Zigbee學(xué)習(xí)第一個(gè)要搞明白的就是Zigbee的物理層和Mac層，為什么呢？我們學(xué)習(xí)單片機(jī)，其實(shí)就是和硬件打交道，Zigbee通訊也是建立在硬件的基礎(chǔ)之上的，硬件基礎(chǔ)指的就是射頻，要搞清楚這個(gè)無(wú)線射頻到底是怎么來(lái)通訊的。如果說(shuō)底層搞不清的話，應(yīng)用層也是很難理解，因?yàn)樗艹橄蟆?----所以說(shuō)要搞清楚802.15.4這個(gè)協(xié)議。

Zigbee是由Zigbee聯(lián)盟所主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)，定義了網(wǎng)絡(luò)層，安全層和應(yīng)用層，以及各種應(yīng)用的產(chǎn)品架構(gòu)；而由IEEE所制定的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，則是定義了物理和MAC層。

Zigbee協(xié)議，Zibgee聯(lián)盟和IEEE組織都參與制定。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)分層

下面是MAC層和PHY層，其實(shí)幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都差不多，只是底層的實(shí)現(xiàn)不同。

比如wifi，wifi為什么能跑TCP/IP協(xié)議，wifi的物理層和以太網(wǎng)的物理層是完全不同的，如果沒(méi)有把MAC和物理層分層的話，wifi是沒(méi)有辦法很容易的跑TCP/IP協(xié)議的。有了分層，我們就可以把以太網(wǎng)協(xié)議移植到射頻里面來(lái)。

物理層頻帶參數(shù)

三個(gè)頻段，國(guó)內(nèi)用得最多是2.4Ghz-2.4835Ghz，在2.4G劃分了16個(gè)信道（信道11到信道26），信道與信道的帶寬是5Mhz，信道與wifi信道有交叉（如果應(yīng)用中信號(hào)通訊不穩(wěn)定，可以看下使用的信道是否和wifi相同，被占用比較多）

868MHZ--美國(guó)

915MHZ--歐洲

把數(shù)字信號(hào)變成一個(gè)射頻信號(hào)，涉及到調(diào)制，調(diào)整方式為FSK（頻移鍵控），通過(guò)頻率的變化來(lái)表示我們的0，1信號(hào)，把數(shù)字信號(hào)變?yōu)槟M信號(hào)。

物理幀格式

前導(dǎo)碼（4字節(jié)）：用于符合同步。

起始分隔符（1字節(jié)）：用于幀同步。

物理頭端（1字節(jié)）：指定了物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元的長(zhǎng)度。

物理服務(wù)單元（