大佬帶你了解Zigbee網(wǎng)絡(luò)，Zigbee網(wǎng)絡(luò)全方位介紹

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

ZigBee采用802.15.4標(biāo)準(zhǔn)作為其對(duì)等通信的基礎(chǔ)。該標(biāo)準(zhǔn)由ZigBee聯(lián)盟(ZigBee Alliance)開發(fā)并管理。ZigBee Alliance是一家投資于該標(biāo)準(zhǔn)并在無線領(lǐng)域進(jìn)行推廣的聯(lián)合組織，并且日益為業(yè)界所關(guān)注。不過ZigBee擁有自己獨(dú)特的應(yīng)用功能，用戶應(yīng)對(duì)此進(jìn)行充分了解，而不是倉促地將其應(yīng)用于所有的低功耗無線應(yīng)用領(lǐng)域。

ZigBee最常用作異步通信標(biāo)準(zhǔn)，其具備CSMA/CA通道接入能力，并擁有802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所述的所有功能。針對(duì)相同市場領(lǐng)域的情況下，相比之下ZigBee可為尋求準(zhǔn)擔(dān)保信息交付、大規(guī)模輕松網(wǎng)絡(luò)集成以及設(shè)備間互操作性的開發(fā)人員提供眾多優(yōu)勢，同時(shí)還提供眾多802.15.4標(biāo)準(zhǔn)不能直接解決的較高級(jí)別網(wǎng)絡(luò)問題的解決方案。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實(shí)施有三種拓?fù)?，如下圖所示。與802.15.4類似，ZigBee支持對(duì)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(jí)網(wǎng)絡(luò)尋址方案，可實(shí)現(xiàn)群集樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(具有相同PAN ID)以及多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?

圖1：ZigBee的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均由可實(shí)現(xiàn)三種邏輯抽象功能之一的802.15.4FFD和RFD節(jié)點(diǎn)提供支持。必須為FFD的ZigBee協(xié)調(diào)器將啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)連接與安全密鑰等大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，是路由消息不可分割的組成部分。ZigBee路由器也必須為FFD，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)往返于其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的消息，并實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀網(wǎng)特性，同時(shí)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的總體覆蓋范圍。ZigBee協(xié)調(diào)器與路由器一般由主電源供電，因?yàn)樗鼈儜?yīng)能夠在任何時(shí)間接收和傳輸消息。如果預(yù)計(jì)應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸是周期性的，則ZigBee也可以采用802.15.4同步網(wǎng)絡(luò)的TDMA消息傳輸協(xié)議。ZigBee終端設(shè)備以RFD方式實(shí)施，可以最大限度地減少其占空比和資源要求，從而實(shí)現(xiàn)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(yīng)用變得簡單。

ZigBee理想適用于具有下列要求的應(yīng)用：

● 采用標(biāo)準(zhǔn)化的物理層與較低層協(xié)議(IEEE 802.15.4);

● 標(biāo)準(zhǔn)化的較高層協(xié)議(比如網(wǎng)狀網(wǎng)拓?fù)?，多跳?;

● 全面互操作性，甚至達(dá)到應(yīng)用層級(jí)別(公共配置文件);

● 設(shè)計(jì)與開發(fā)要求低(僅限于應(yīng)用);

● 技術(shù)支持與維護(hù)廠商/供應(yīng)商之間競爭激烈。

ZigBee可接受下列劣勢：

● ZigBeel Alliance成員費(fèi)用;

● 認(rèn)證費(fèi)用(如果不專門針對(duì)符合ZigBee或者ZigBee認(rèn)證的產(chǎn)品則無需此費(fèi)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(xiàng)表明需要對(duì)許多項(xiàng)目進(jìn)一步澄清，因此首先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的較高層協(xié)議進(jìn)行描述。與802.15.4相比，如圖4所示，ZigBee可向上實(shí)施至OSI無線應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)模型的傳輸層，甚至能夠達(dá)到部分會(huì)話層。

圖2：ZigBee的OSI網(wǎng)絡(luò)模型。

對(duì)802.15.4協(xié)議最突出的三項(xiàng)新特性是網(wǎng)狀網(wǎng)路由算法，一個(gè)功能強(qiáng)大的安全實(shí)施，以及應(yīng)用級(jí)抽象以在目標(biāo)市場領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)設(shè)備與可互操作“應(yīng)用配置文件”的強(qiáng)大關(guān)聯(lián)性。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)狀網(wǎng)路由算法使其成為網(wǎng)絡(luò)上終端設(shè)備之間數(shù)據(jù)交付的極可靠方式。除了能夠在網(wǎng)絡(luò)中確保分組交付的可選端到端確認(rèn)，ZigBee還定義了能夠圍繞故障節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信的路由發(fā)現(xiàn)算法，這也稱為ZigBee的通信自愈能力。路由發(fā)現(xiàn)是一種可由任何路由器設(shè)備啟動(dòng)并始終針對(duì)特定目的地執(zhí)行的最短路徑算法。計(jì)算的原理是由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都一直保留著至所有相鄰設(shè)備的“鏈接成本”記錄，其中鏈接成本是測量所接收信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)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(jì)算網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)路由的路由成本。

節(jié)點(diǎn)可以通過向其相鄰設(shè)備廣播針對(duì)特定目的地的路由請(qǐng)求(RREQ)數(shù)據(jù)包來請(qǐng)求路由發(fā)現(xiàn)。每當(dāng)某節(jié)點(diǎn)接收RREQ時(shí)，其就會(huì)向路由成本累加其鏈接成本，然后再相應(yīng)廣播RREQ。這種情況將反復(fù)進(jìn)行，直至所有RREQ均到達(dá)目的地設(shè)備。然后目的地設(shè)備將選擇路由成本最低的RREQ數(shù)據(jù)包，并廣播路由回復(fù)(Route Reply)。當(dāng)RREP數(shù)據(jù)包返回至源地，所有中間節(jié)點(diǎn)將更新它們的路由表，指示通往目的地的路由。這樣，節(jié)點(diǎn)可丟失至下一跳的連接，并向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送路由錯(cuò)誤(RERR)數(shù)據(jù)包，以便在下一次有人試圖向其發(fā)送消息時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)新的路由發(fā)現(xiàn)。

ZigBee可實(shí)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(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)密鑰，以及用于對(duì)等通信的加密密鑰。采用AES-128位加密標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行加密。在檢驗(yàn)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(diào)器作為信任中心從單個(gè)節(jié)點(diǎn)管理所有安全性，網(wǎng)絡(luò)還能夠定期選擇對(duì)對(duì)稱加密密鑰進(jìn)行更新，從而實(shí)現(xiàn)安全通信的無限管理。

不過，應(yīng)用級(jí)抽象可能是ZigBee最具有競爭力的特性。可以對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯編以容納多達(dá)270個(gè)“端點(diǎn)”或者應(yīng)用。舉例來說，每個(gè)端點(diǎn)都可以代表一個(gè)電燈開關(guān)或者一個(gè)燈泡(燈泡01、燈泡02等)。每個(gè)端點(diǎn)可以接受任意類型的數(shù)據(jù)，也可以發(fā)送任意類型的數(shù)據(jù)。從某端點(diǎn)輸出到另一端點(diǎn)的輸入數(shù)據(jù)有單個(gè)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(guān)狀態(tài)是這些稱為群集的數(shù)據(jù)描述符之一。然后，每個(gè)端點(diǎn)就可以根據(jù)端點(diǎn)ID(1-270)及其群集列表(接收或者傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型)進(jìn)行描述。在群集匹配的情況下，就可以進(jìn)行一對(duì)一或者一對(duì)多端點(diǎn)的邏輯綁定。在該例中，某一燈泡開關(guān)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(yīng)用級(jí)的一對(duì)一或者一對(duì)多綁定是ZigBee協(xié)議功能強(qiáng)大的特性。

圖3：ZigBee的綁定表可用于即時(shí)控制更改。

如果ZigBee Alliance當(dāng)時(shí)定義了群集列表和解釋端點(diǎn)間群集流的方法，就可以為特定應(yīng)用(如電燈開關(guān)/電燈泡等)指定標(biāo)準(zhǔn)，且無需擔(dān)心用于實(shí)施應(yīng)用的具體硬件。ZigBee Alliance正好已經(jīng)完成了這項(xiàng)任務(wù)，將這些標(biāo)準(zhǔn)稱為應(yīng)用配置文件，從而不僅使來自不同廠商的應(yīng)用能夠完全實(shí)現(xiàn)互操作性，而且還加強(qiáng)了ZigBee低功耗無線網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)市場領(lǐng)域的整體競爭性。

如果互操作性不是設(shè)計(jì)人員的主要意圖，ZigBee Alliance還可以讓設(shè)計(jì)人員定義不共享的企業(yè)專用型應(yīng)用配置文件。為簡明扼要，我們就不對(duì)ZigBee實(shí)施的其他特性進(jìn)行詳細(xì)討論了，這些特性包括群組尋址、頻率捷變、會(huì)話故障的自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)范疇，但在編輯時(shí)增加了用于優(yōu)化支持超大網(wǎng)絡(luò)集成的特性。

采用ZigBee協(xié)議進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的劣勢包括與開發(fā)ZigBee產(chǎn)品相關(guān)的成本：按年支付給ZigBee Alliance的成員費(fèi)用、認(rèn)證產(chǎn)品是否符合ZigBee的費(fèi)用以及協(xié)議本身的存儲(chǔ)器占用。ZigBee協(xié)議加載的特性很難在每項(xiàng)應(yīng)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(shè)計(jì)額外的存儲(chǔ)器資源。在某些情況下，對(duì)存儲(chǔ)器與資源的要求甚至可以限制到最終應(yīng)用級(jí)。因此，部分企業(yè)推出了具備集成MCU、預(yù)加載了ZigBee軟件協(xié)議棧的無線電廣播組件，其運(yùn)行則由少量API對(duì)另一個(gè)以應(yīng)用為中心的MCU的調(diào)用來控制。通過采用SPI通信來更新ZigBee芯片的配置，應(yīng)用MCU可以免受協(xié)議對(duì)存儲(chǔ)器與資源要求的限制，可以有效地處理其他應(yīng)用任務(wù)。

家庭安全網(wǎng)絡(luò)

第二與第三個(gè)例子將顯示出，如果要求略有變動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致選擇不同的協(xié)議。本系統(tǒng)是一個(gè)在已裝修好的家居環(huán)境中安裝的家庭安全網(wǎng)絡(luò)，因此重新布線會(huì)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(yùn)動(dòng)傳感器以及門禁控制感測(access control)等。每個(gè)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(yīng)能夠與其它傳感器實(shí)現(xiàn)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(chǎn)的運(yùn)動(dòng)檢測器。該網(wǎng)絡(luò)必須具有高度安全性，以防竊聽或篡改。設(shè)計(jì)進(jìn)度安排能允許工程師有一定的學(xué)習(xí)時(shí)間，以加快網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)工作。深圳無線龍推出的Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺(tái)，適合廣大的設(shè)計(jì)開發(fā)者做二次開發(fā)應(yīng)用。

● 應(yīng)用方面的考慮事項(xiàng)：

● 家庭安全網(wǎng)絡(luò);

● 煙霧檢測、玻璃破損、運(yùn)動(dòng)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(shù)據(jù);

● 用戶界面必須直觀易懂;

● 需要遵循業(yè)界標(biāo)準(zhǔn);

● 應(yīng)能夠從不同廠商技術(shù)之間的互操作性及其相關(guān)支持方面受益***;

● 穩(wěn)健性與可靠性;

● 關(guān)鍵的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);

● 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(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)可靠性與安全性***;

● 計(jì)劃在總體的家庭自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)中集成家庭安全性應(yīng)用;

● 愿意花時(shí)間學(xué)習(xí)與充分利用更復(fù)雜的API;

● 硬件與RF方面的考慮事項(xiàng);

● 大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都采用電池供電。

本例中的最終結(jié)果應(yīng)選擇使用ZigBee，因?yàn)椴粌H需要與不同廠商提供的設(shè)備互操作，還要確保滿足標(biāo)準(zhǔn)化的可靠性與安全性要求。

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