ZigBee基础知识

ZigBee基础知识

一、ZigBee 特点

ZigBee技术是一种新兴的短距离、低功耗、低成本、低数据传输率的无线通信技术。

它的主要特点如下：

1）低功耗：在低功耗待机模式下，两节普通5号干电池可使用6~24个月。

2）低速率：数据传输速率只有10kb/s~ 250 kb/s ，专注于低速数据传输应用。

3）低成本：因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，降低了对通信控制器的要求, 所以大大降低了成本。

4）短距离：传输距离一般介于10~100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到

1~3km这指的是相邻节点间的距离，如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可

以更远。

5）短时延：Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms节点连接进入网络只需30ms进一步节省了电能。

254个子6）容量大：Zigbee可采用星状、簇状和网状网络结构，一个主节点可管理

节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，这样可组成65000多个节点。

7）安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法，各个

应用可灵活确定其安全属性。

8）工作频段灵活：使用的频段分别为全球的ISM频段（16个信道）、欧洲的868MHz 频段（1个信道），以及美国的915MHz频段（10个信道），均为免执照频段。

、ZigBee工作频率

表1 ZigBee工作频率表

ZigBee网络支持两种功能类型的网络节点：全功能器件（Full Function Device, FFD）

和精简功能器件(Reduce Function Device ，RFD)。

全功能器件拥有完整的协议功能，在网络中可以作为协调器(Coordinator) ，路由器

(Router) 和普通节点(Device) ；而精简功能器件旨在实现最简单的协议功能而设计，只能作为普通节点存在于网络中。全功能器件可以与精简功能器件或其他的全功能器件通信，而精简功能器件只能与全功能器件通信，精简功能器件之间不能直接通信。

四、ZigBee网络节点类型

ZigBee 网络包含三种节点类型：ZigBee 协调器(ZigBee Coordinator，ZC)、ZigBee

路由器(ZigBee Router , ZR)和终端设备(ZigBee End Device , ZED)。

协调器只能是全功能器件FFD —个PAN的网络中，至少要有一个全功能器件作为网络的协调器，它可以看作是一个PAN的网关节点(SINK节点)。它是网络建立的起点，负责PAN 网络的初始化，确定PAN的ID号和PAN操作的物理信道并统筹短地址分配，充当信任中心和储存安全密钥，与其他网络的连接等。

在任何一个拓扑网络上，所有设备都有一个唯一的64位IEEE长地址，该地址可以

在PAN中用于直接通信。协调器在加入网络之后获得一定的短地址空间，在这个空间内，他有能力允许其他节点加入网络，并分配16 位短地址给节点。因此在设备发起连接时采用的是64位IEEE长地址，只有连接成功后，系统分配了PAN的标志符后，才能采用16

位的短地址来通信。

路由器可以只运行一个存放有路由协议的精简协议栈，负责网络数据的路由，实现数据中转功能。在网络中最基本的节点就是终端节点ZED 一个终端节点可以是全功能器

件FFD或者是精简功能器件RFD

Zigbee 网络拓扑结构比较流行的有三种：星型网络(Star) 、簇状型网络(Cluster) 、网状型网络(Mesh)。

五、ZigBee 协议通信原语

在分层的通信协议中，层与层之间是通过服务接入点(Service Access Point ，SAP) 相连接的。每一层都可以通过本层与下一层的SAP调用下层所提供的服务，同时通过与

上一层的SAP为上层提供相应服务。SAP是层与层之间的唯一接口，而具体的服务是以通信原语的形式供上层调用的。在调用下层服务时，只需要遵循统一的原语规范，并不需要去了解如何处理原语。这样就做到了数据层与层之间的透明传输。层与层之间的通信原语可分为以下四种，它们之间的关系如图5-1 所示：

5-1 ZigBee 协议通信原语

Request :请求原语，用于上层向本层请求指定的服务。

Confirm :确认原语，用于本层响应上层发出的请求原语。

Indication ：指示原语，用于本层向上层指示本层的某一内部事件。

Response：响应原语，用于上层响应本层发出的指示原语。

本文中原语遵循了“ SAP 名称- 原语功能. 原语类型”的书写规则，如"”表示

MLME-SA上提供的关联请求原语。

六、ZigBee 协议栈框架

PHY层

图6-1 物理层结构模型

物理层的作用主要是利用物理介质为数据链路层提供物理连接，负责处理数据传输率并降低数据出错率，以便透明的传送比特流。Zigbee 协议的物理层主要负责以下任务：

⑴启动和关闭RF收发器。

(2) 信道能量检测。

(3) 对接收到的数据包进行链路质量指示LQI(Link Quality Indication)

⑷为CSMA/C算法提供空闲信道评估CCA(Clear Channel Assessment)。

(5) 对通信信道进行选择。

(6) 数据包的传输和接收

MAC层

图6-2 MAC 层结构模型

IEEE 媒体介入控制层沿用了传统无线局域网中的带冲突避免的载波多路侦听访问技术CSMA/C/方式，以提高系统的兼容性。这种设计，不但使多种拓扑结构网络的应用变得简单，还可以实现非常有效的功耗管理。

MAC g完成的具体任务如下:

(1) 协调器产生并发送信标帧(Beacon) 。

(2) 普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步。

⑶支持PAN网络的关联(Association) 和取消关联(Disassociaten) 操作。

(4) 为设备的安全性提供支持。

(5) 使用CSMA-C机制共享物理信道。

(6) 处理和维护时隙保障GTS(Guaranteed Time Slot) 机制。

(7) 在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的数据链路。

在IEEE来组织LR-WPA网络内设备间的通信。每个超帧都以网络协调器发出信标帧为始，在这个信标帧中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的分配等信息。网络中的普通设备接收到超帧开始时的信标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务，例如进入休眠状态直到这个超帧结束。