Zigbee协议栈原理基础
传感网应用开发(高级)课件4.1 Zigbee协议栈基础
Zstack结构
应用层 网络层 MAC层 物理层
IEEE802.15.4
Zstack结构层次
Zstack层次功能
➢ APP：为应用层目录，用户可以根据需求添加自己 的任务。这个目录中包含了应用层和这个项目的主 要内容，在协议栈里面一般是以操作任务实现的。
➢ HAL：硬件驱动层，包括硬件相关的配置、驱动以 及操作函数。
ZigBee协议栈安装
Zstack下载
Zstack安装
Zstack安说明文档
工程文档
工具文件
“1+X”传感网应用开发
ZigBee协议基本概念+Z-Stack协议 栈介绍与协议栈安装
目录
CONTENTS
01 ZigBee协议基本概念
02 ZigBee协议栈
03 ZigBee协议栈安装
ZigBee协议基本概念
ZigBee协议
ZigBee一词来自人们对 蜜蜂的移动姿态的观察。 ZigBee是基于IEEE802.15.4标 准的低功耗局域网协议。 适合于无线传感器信息传 输，具有以下主要特点： ➢短距离 ➢低速率 ➢低能耗
ZigBee设备
ZigBee网络设备有三 种逻辑类型：
➢协调器(Coordinator)
➢路由器(Router)
➢终端设备(End-device)
ZigBee频谱分布
ZigBee信道
ZigBee PAN ID
即ZigBee局域网ID，是节点用于判断自身 所属网络的标识。Zigbee无线传感网的协调器 是通过选择网络工作信道及各域网识别标志 PANID（网络号）来启动一个无线传感网的。
➢ Tools ： 工 程 配 置 目 录 ， 包 括 空 间 划 分 及 ZStack相关配置信息。
ZigBee协议解析无线个人局域网的工作原理与物联网应用
ZigBee协议解析无线个人局域网的工作原理与物联网应用无线个人局域网（Wireless Personal Area Network，简称WPAN）是一种短距离无线通信技术，ZigBee作为其一种重要的协议，已经在物联网应用中得到广泛应用。
本文将详细解析ZigBee协议的工作原理，并探讨其在物联网中的应用。
一、ZigBee协议的工作原理ZigBee协议是基于IEEE 802.15.4标准的一种低功耗、短距离、低数据速率无线通信协议。
其工作原理如下：1. 网络拓扑结构ZigBee网络可以采用星形、树形、网状等多种拓扑结构。
其中，星形结构由一个协调器（Coordinator）和多个终端节点（End Device）组成，协调器负责网络的组网与管理。
树形结构则是在星形结构的基础上，增加了路由器（Router）节点，实现了终端节点之间的数据转发。
网状结构是最灵活的，不仅可以进行节点之间的数据转发，还可以自动选择最佳的传输路径。
2. 网络通信方式ZigBee协议采用两种主要的通信方式，分别是直接通信（Direct Communication）和间接通信（Indirect Communication）。
直接通信是指两个节点之间直接建立通信链路，可以实现低延时的数据传输；间接通信则是通过路由器节点进行数据传输，适用于节点之间距离较远或传输条件较差的情况。
3. 网络协调ZigBee网络中的协调器负责网络的组网与管理，包括网络的初始化、频道选择、路由调度等。
协调器还可以与外部设备进行无线通信，用于与其他网络的互联。
4. 节能机制为了实现低功耗的通信，ZigBee协议引入了一系列的节能机制。
其中包括低功耗睡眠模式、快速唤醒模式、层次化网络等。
节点可以在不使用时进入睡眠模式，只有当数据传输时才会唤醒，从而有效节省能耗。
二、物联网应用中的ZigBee协议ZigBee协议在物联网应用中具有广泛的应用前景，主要体现在以下几个方面：1. 智能家居ZigBee协议可以实现智能家居中各个设备的互联互通。
zigbee 协议栈
zigbee 协议栈Zigbee 协议栈。
Zigbee 是一种无线通信协议，它被设计用于低数据速率、低功耗的应用场景，如智能家居、工业自动化、传感器网络等。
Zigbee 协议栈是指在 Zigbee 网络中的协议层，它定义了 Zigbee 网络中各个节点之间的通信规则和协议。
Zigbee 协议栈主要包括物理层、MAC 层、网络层和应用层。
物理层定义了无线通信的调制解调方式、频率和功率控制等；MAC 层负责数据的传输和接收，以及网络中节点的管理；网络层则负责路由和数据包转发；应用层则定义了具体的应用协议和数据格式。
在 Zigbee 协议栈中，物理层使用了 IEEE 802.15.4 标准，它定义了无线通信的物理层和 MAC 层规范，包括频率、调制方式、数据帧格式等。
MAC 层定义了数据的传输方式，包括信道访问方式、数据帧格式、数据重传机制等。
网络层则定义了路由协议和数据包转发规则，以实现多跳网络的数据传输。
应用层则定义了具体的应用协议，如 Zigbee Home Automation（ZHA）、Zigbee Light Link（ZLL）等。
Zigbee 协议栈的设计遵循了低功耗、低成本、可靠性和安全性的原则。
它采用了分层的设计，使得各个层之间的功能清晰明了，易于实现和维护。
同时，Zigbee 协议栈还支持多种网络拓扑结构，包括星型、网状和混合型网络，以满足不同应用场景的需求。
在实际的应用中，开发人员可以使用 Zigbee 协议栈来快速构建 Zigbee 网络应用。
通过使用 Zigbee 协议栈，开发人员可以方便地实现节点之间的数据通信、网络管理和安全保护，从而加速产品的开发周期和降低开发成本。
总的来说，Zigbee 协议栈是 Zigbee 网络中的核心部分，它定义了 Zigbee 网络中节点之间的通信规则和协议。
通过使用 Zigbee 协议栈，开发人员可以快速构建低功耗、低成本、可靠性和安全性的Zigbee 网络应用，满足不同应用场景的需求。
3.ZigBee协议栈[共2页]
![3.ZigBee协议栈[共2页]](https://img.taocdn.com/s3/m/0d1e82e483c4bb4cf6ecd18d.png)
通信网技术基础172 用，如灯的开关、被动式红外线传感器等。
根据设备的功能，ZigBee 网络定义了三种设备：协调器、路由器和终端设备。
协调器和路由器必须是FFD 设备，终端设备可以是FFD 或RFD 设备。
每个ZigBee 网络都必须有且仅有一个协调器，也称为PAN 协调器。
当一个全功能设备启动时，首先通过能量检测等方法确定有无网络存在，有则作为子设备加入，无则自己作为协调器，负责建立并启动网络，包括广播信标帧以提供同步信息、选择合适的射频信道、选择唯一的网络标识符等一系列操作。
路由器在节点设备之间提供中继功能，负责邻居发现、搜寻网络路径、维护路由、存储转发数据，以便在任意两个设备之间建立端到端的传输。
路由器扩展了ZigBee 网络的范围。
终端设备就是网络中的任务执行节点，负责采集、发送和接收数据，在不进行数据收发时进入休眠状态以节省能量。
协调器和路由器也可以负责数据的采集。
ZigBee 网络有信标和非信标两种工作模式。
在信标工作模式下，网络中所有设备都同步工作、同步休眠，以减小能耗。
网络协调器负责以一定的时间间隔广播信标帧，两个信标帧之间有16个时隙，这些时隙分为休眠区和活动区两个部分，数据只能在网络活动区的各时隙内发送。
在非信标模式下，只有终端设备进行周期性休眠，协调器和路由器一直处于工作状态。
ZigBee 网络的拓扑结构有星型、网状和簇树三种，如图6-11所示。
在实际环境中，拓扑结构取决于节点设备的类型和地理环境位置，由协调器负责网络拓扑的形成和变化。
星型拓扑网状拓扑簇树拓扑PAN 协调器全功能设备精简功能设备图6-11 ZigBee 网络的拓扑结构星型拓扑组网简单、成本低、电池使用寿命长，但是网络覆盖范围有限，可靠性不如网状拓扑结构，对充当中心节点的PAN 协调器依赖性较大。
网状拓扑中的每个全功能节点都具有路由功能，彼此可以通信，网络可靠性高、覆盖范围大，但是电池使用寿命短、管理复杂。
ZIGBEE学习笔记
1、ZigBee协议栈：ZigBee协议是一系列的通信标准，通信双方需要共同按照这一标准进行正常的数据发射和接收。
协议栈是协议的具体实现形式，通俗点来理解就是协议栈是协议和用户之间的一个接口，开发人员通过使用协议栈来遵循和使用这个协议的，进而实现无线数据收发。
2、ZigBee无线网络协议层的架构：ZigBee协议分为两部分---IEEE 802.15.4和ZigBee，IEEE 802.15.4定义了PHY （物理层）和MAC（介质访问层）技术规范；ZigBee联盟定义了NWK（网络层）、APS（应用程序支持子层）、APL（应用层）技术规范。
ZigBee协议栈就是将各个层定义的协议都集合在一起，以函数的形式实现，并给用户提供API(应用层)，用户可以直接调用---学习Zigbee就是熟悉API和学习如何使用对应函数。
3、用户实现简单的无线数据通信的一般步骤：---组网：调用协议栈的组网函数、加入网络函数，实现网络的建立与节点的加入。
---发送：发送节点调用协议栈的无线数据发送函数，实现无线数据发送。
---接收：接收节点调用协议栈的无线数据接收函数，实现无线数据接收。
4、Z-STACK协议栈工作原理：Z-stack可以看做是一个小型的操作系统（本质是大型的程序），用于实现底层和网络层的内容，Z-stack将复杂部分屏蔽掉。
用户通过API函数就可以轻易用ZigBee。
5、协调器、路由器、终端：Router----路由器Coodinator----协调器EndDevice----终端设备（1）协调器：（coordinator）每个zigbee网络只允许有一个zigbee的协调器，协调器首先选择一个信道和网络标识(PAN ID)，然后开始这个网络.因为协调器是整个网络的开始，他具有网络的最高权限，是整个网络的维护者，还可以保持间接寻址用的表格绑定，同时还可以设计安全中心和执行其他动作，保持网络其他设备的通信。
zigbee技术文档0 zigbee协议栈基础概念简介
一、ZigBee之基本概念物联网的定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
无线传感网络的定义是：大规模，无线、自组织、多跳、无分区、无基础设施支持的网络．其中的节点是同构的、成本较低、体积较小，大部分节点不移动，被随意撒布在工作区域，要求网络系统有尽可能长的工作时间。
在通信方式上，虽然可以采用有线、无线、红外和光等多种形式，但一般认为短距离的无线低功率通信技术最适合传感器网络使用，为明确起见，一般称无线传感器网络(WSN．Wireless Sensor Network)。
无线传感网络的无线通信技术可以采用ZigBee技术、蓝牙、Wi-Fi和红外等技术。
ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方面的通信技术。
Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。
根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。
这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。
其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。
主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。
简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。
IEEE 802.15.4是一个低速率无线个人局域网(Low Rate Wireless PersonalArea Networks，LR-WPAN)标准。
该标准定义了物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC)。
这种低速率无线个人局域网的网络结构简单、成本低廉、具有有限的功率和灵活的吞吐量。
ZigBee协议栈学习总结
ZigBee协议栈学习总结近年来，物联网技术发展迅猛，智能家居、智能工厂等应用逐渐普及。
而ZigBee协议作为一种广泛应用于物联网中的低功耗、近距离、网状网络通信协议，受到了广泛的关注和应用。
在ZigBee技术中，协议栈是关键的一环。
本文将对ZigBee协议栈的相关知识进行总结。
一、ZigBee协议栈概述ZigBee协议栈是指在物联网中实现ZigBee通信的软件系统，它包含了多个层级，每个层级负责不同的功能。
ZigBee协议栈分为应用层、网络层、MAC层和物理层，通过这些层级的协同工作，实现了ZigBee设备之间的通信。
1.1 应用层在ZigBee协议栈中，应用层是最上层的一层，负责定义应用数据的传输方式和应用协议。
应用层通过上层应用与下层协议栈进行交互，将上层应用数据封装为ZigBee命令帧发送给网络层。
1.2 网络层网络层是ZigBee协议栈的中间层，负责实现设备的网络发现、路由选择和网络管理等功能。
网络层通过维护网络拓扑结构，实现了ZigBee设备之间的互联互通。
1.3 MAC层MAC层即介质访问控制层，是介于网络层和物理层之间的一层。
MAC层负责管理无线通信信道，实现了数据的可靠传输和统计信息的收集。
1.4 物理层物理层是ZigBee协议栈的最底层，负责处理物理信号的传输和接收。
物理层根据不同的频段和传输速率，将数字信号转换为模拟信号进行无线传输。
二、ZigBee协议栈的工作原理ZigBee协议栈的各层级通过相互协作，实现了物联网设备之间的通信。
协议栈从应用层开始，将上层应用数据经过各层的处理和封装，最终通过物理层进行无线传输。
在接收端，协议栈将接收到的信号依次经过物理层、MAC层、网络层和应用层的解析，最终将数据传递给上层应用进行处理。
三、ZigBee协议栈的特点和优势ZigBee协议栈相较于其他通信协议具有以下特点和优势：3.1 低功耗ZigBee协议栈采用低功耗设计，设备在待机状态下功耗非常低，能够延长设备的使用寿命。
ZigBee协议栈原理简介
第1章ZigBee协议栈原理2007 年4 月，德州仪器推出业界领先的ZigBee 协议栈（Z-Stack）。
Z-Stack 符合ZigBee2006 规范，支持多种平台，包括基于CC2420 收发器以及TI MSP430 超低功耗单片机的平台、CC2530 SOC 平台等。
Z-Stack 包含了网状网络拓扑的几近于全功能的协议栈，在竞争激烈的ZigBee 领域占有很重要地位。
4.1 Zigbee设备类型在 ZigBee 网络中存在三种逻辑设备类型：Coordinator(协调器)，Router(路由器)和End-Device(终端设备)。
ZigBee 网络由一个Coordinator 以及多个Router 和多个End_Device组成。
下图是一个简单的ZigBee 网络示意图。
其中黑色节点为Coordinator，红色节点为Router，白色节点为End-Device。
1、Coordinator(协调器)协调器负责启动整个网络。
它也是网络的第一个设备。
协调器选择一个信道和一个网络ID(也称之为PAN ID，即Personal Area Network ID)，随后启动整个网络。
协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定(bindings)。
注意，协调器的角色主要涉及网络的启动和配置。
一旦这些都完成后，协调器的工作就像一个路由器。
2、Router(路由器)路由器的功能主要是：允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的由电池供电的子终端设备的通讯。
通常，路由器希望是一直处于活动状态，因此它必须使用主电源供电。
但是当使用树型网络模式时，允许路由间隔一定的周期操作一次，这样就可以使用电池给其供电。
3、End-Device(终端设备)终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以是一个电池供电设备。
通常，终端设备对存储空间(特别是RAM)的需要比较小。
注意：在Z-Stack 1.4.1 中一个设备的类型通常在编译的时候通过编译选项(ZDO_COORDINATOR 和RTR_NWK)确定。
第六章 zigbee协议栈详解
ZigBee协议栈详解
目标： 本章在向学员介绍物联网体系中传输层所使用 的相关技术，通过本课的学习，学员应该掌握 如下知识： IP协议栈的应用 WLAN无线网络应用
大纲
协议栈内部结构 IEEE802.15.4 标准和 ZigBee 协议 协议栈软件总体设计 网络层（NWK）设计 应用层 MAC 层设计 物理层（PHY）设计
原语的概念
ZigBee 协议按照开放系统互联的 7 层模型将协议分成了一系列的层结 构，各层之间通过相应的服务访问点来提供服务。这样使得处于协议中 的不同层能够根据各自的功能进行独立的运作，从而使整个协议栈的结 构变得清晰明朗。另一方面，由于 ZigBee 协议栈是一个有机的整体， 任何 ZigBee 设备要能够正确无误的工作，就要求协议栈各层之间共同 协作。因此，层与层之间的信息交互就显得十分重要。ZigBee 协议为 了实现层与层之间的关联，采用了称为服务“原语”的操作。
Zigbee绑定操作
ZigBee协议ห้องสมุดไป่ตู้各层帧结构之间的关系
在 ZigBee 协议栈中，任何通信数据都是利用帧的格式来组织的 。协议栈的每一层都有特定的帧结构。当应用程序需要发送数 据时，它将通过 APS 数据实体发送数据请求到 APS。随后在它 下面的每一层都会为数据附加相应的帧头，组成要发送的帧信 息。
分裂、重新组装和可靠数据传输 地址映射来自于64位IEEE地址和16位网络地址
ZigBee 设备对象（ZDO）
负责定义网络中设备的角色，如：协调器或者终端设备 对绑定请求的初始化或者响应。 在网络设备之间建立安全联系 在网络中发现设备和决定供给哪个应用服务
实现这些功能，ZDO 使用 APS 层的 APSDE-SAP 和网络 层的 NLME-SAP。ZDO 是特殊的应用对象，它在端点 (endpoint)0 上实现。
zigbee协议栈
zigbee协议栈
ZigBee协议栈是一种低功耗、近距离、无线通信协议，
它以IEEE 802.15.4标准为基础，支持点对点和星形拓扑网络。
ZigBee协议栈分为物理层、MAC层、网络层和应用层。
物理层：ZigBee的物理层工作于2.4GHz带宽，提供了
16个信道，可以在不同频段工作。
此外，它还支持双向数据
传输、自适应，能够自动优化网络性能。
物理层与MAC层之间的接口在帧结构中定义。
MAC层：ZigBee MAC层是机制，它负责管理网络的访问
控制、组织网络拓扑结构等。
在ZigBee中，通信是按照设备
类型进行的，有一些设备被指定为“协调器”，这些设备负责管理网络中的资源，调度传输时间等。
网络层：ZigBee网络层的主要职责是管理设备之间的通信，为应用层提供稳定的通信基础。
它提供了一组缺省的网络协议，可以在多种不同环境下使用。
应用层：ZigBee应用层是通过使用设备描述文件来定义
应用层协议和服务的标准集合。
通过设备描述文件（或“簇”），应用程序可以访问底层硬件和网络服务。
总之，ZigBee协议栈是一种广泛应用于安防、能源管理、自动化等领域的低功耗、近距离、无线通信协议，能够支持多种应用需求，有着良好的安全性和稳定性。
《2024年ZigBee协议栈的分析与设计》范文
《ZigBee协议栈的分析与设计》篇一一、引言随着物联网技术的快速发展，无线通信技术已成为连接各种智能设备的重要手段。
ZigBee作为一种基于IEEE 802.15.4标准的低速无线个人区域网络通信协议，以其低功耗、低成本、覆盖范围广等优势，在智能家居、工业监控、农业物联网等领域得到了广泛应用。
本文将对ZigBee协议栈进行分析与设计，探讨其工作原理、关键技术及设计要点。
二、ZigBee协议栈概述ZigBee协议栈是一种为基于IEEE 802.15.4标准的无线个人区域网络（WPAN）设计的协议栈。
它包括物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）和Z-Stack协议栈三个主要部分。
物理层定义了无线信号的传输方式和特性；媒体访问控制层负责设备的接入与数据传输；Z-Stack协议栈则是为了实现不同设备间的互操作性而设计的一系列服务和应用支持层。
三、ZigBee协议栈分析1. 物理层分析物理层是ZigBee协议栈的基础，它定义了无线信号的传输方式和特性。
物理层包括射频收发器、天线和相关的控制电路等。
在分析物理层时，需要关注其传输速率、传输距离、抗干扰能力等性能指标。
2. MAC层分析MAC层负责设备的接入与数据传输，它通过CSMA-CA（带冲突避免的载波监听多路访问）机制实现信道的访问控制。
在分析MAC层时，需要关注其信道接入的公平性、数据传输的可靠性以及能耗控制等方面。
3. Z-Stack协议栈分析Z-Stack协议栈包括应用支持层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）、以及各种应用框架等。
在分析Z-Stack协议栈时，需要关注其服务发现、绑定、群组通信等机制的实现，以及如何实现不同设备间的互操作性。
四、ZigBee协议栈设计1. 设计目标在设计ZigBee协议栈时，需要明确设计目标，如低功耗、低成本、高可靠性等。
根据实际需求，选择合适的物理层和MAC 层技术，以及适合的应用场景的Z-Stack协议栈版本。
zigbee协议栈
zigbee协议栈Zigbee协议栈是一种基于IEEE 802.15.4无线技术的低功耗通信协议，用于构建无线传感器网络和物联网设备。
它由几个层次的协议组成，包括物理层、MAC层、网络层和应用层。
物理层是Zigbee协议栈的最底层，负责无线信号传输和接收。
它定义了无线模块和设备的硬件要求，包括频率、调制方式、传输速率等。
在物理层之上是MAC层，负责网络节点之间的数据传输和管理。
它提供了一系列函数，用于数据包的发送和接收，以及网络节点的寻址和路由。
网络层位于MAC层之上，负责整个网络的拓扑结构和数据路由。
每个节点都有一个唯一的网络地址，用于标识和寻址。
网络层使用路由算法决定最佳的数据传输路径，以确保数据的可靠传输。
最上层是应用层，这是开发人员编写应用程序的层次。
它提供了一系列应用程序程序接口（API），用于数据的发送和接收。
开发人员可以利用这些API实现各种应用程序，如传感器数据采集、远程控制等。
Zigbee协议栈具有以下几个特点。
第一，低功耗。
由于无线传感器网络和物联网设备通常是由电池供电，因此低功耗是一个非常重要的设计考虑。
Zigbee协议栈通过最小化数据传输以及使用睡眠和唤醒机制来实现低功耗。
第二，短距离通信。
Zigbee协议栈的设计目标是用于部署在短距离范围内的网络，通常不超过100米。
这使得它非常适用于家庭自动化、智能电网等场景。
第三，高可靠性。
Zigbee协议栈支持多路径数据传输，以确保数据能够在网络中快速可靠地传输。
此外，它还支持自动路由和包重传机制，以应对网络中节点的故障或丢失。
第四，安全性。
Zigbee协议栈支持数据加密和身份验证功能，确保数据在传输过程中的保密性和完整性。
这对于保护物联网设备和网络免受黑客攻击非常重要。
总的来说，Zigbee协议栈是一种可靠、低功耗、安全的通信协议，适用于构建无线传感器网络和物联网设备。
它的设计目标是满足家庭自动化、智能电网等应用场景中的通信需求。
见过的最浅显易懂的ZigBee协议栈解析
见过的最浅显易懂的ZigBee协议栈解析ZigBee技术是物联网领域最常用的无线技术之一，如果我们要做基于ZigBee技术的物联网应用，最好对ZigBee协议栈有一个基本的了解。
这篇文章对ZigBee协议栈做一个简单明了的介绍。
概述本文准备介绍的ZigBee协议栈是ZigBee2007，也是目前业界最常用的标准版本，对于ZigBee协议栈的演进历程，可以参加《5分钟了解Zigbee的前世今生》。
ZigBee协议栈可以分为四层：物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、网络层（NWK）及应用层（APL）。
如图所示，粉色的部分是由IEEE标准中定义的，浅蓝色部分是由ZigBee联盟规定的，黄色部分是由设备厂商自行定义。
ZigBee协议栈图示在ZigBee协议栈的图示中，我们还可以发现有很多圆角矩形，都带有SAP的字样。
SAP的意思就是服务接入点（Service Access Point）的意思，是协议栈层与层之间的接口，协议栈都是分层结构的，接口就是层与层之间的沟通渠道。
协议栈相邻的上下层之间一般都有两个接口，也就是两个SAP。
名字中带字母D的SAP是数据接口，负责层间数据传输；名字中带字母M的SAP是管理接口，供上层或协议栈的管理平面对该层进行控制，比如进行一些参数配置，或读取状态等。
PHY & MAC & NWKZigBee2007协议栈的物理层及MAC层都是IEEE802.5.14-2003标准中定义的。
PHY层（物理层）规定了所使用的频段，以及所使用的编码、调制、扩频、调频等无线传输技术；有了物理层，就有了一个实现点到点之间的信号发射与接收的基础，没有物理层协议，设备间是根本没有办法通信的，有可能都不在一个频段上。
MAC层的主要作用规定了无线信道的访问控制机制，也就是规定各个设备按照什么规矩轮流使用信道；如果没有MAC层协议，节点一多，大家没有个规矩，就会发生信号冲突，谁都没法正常传输数据了。
ZigBee协议栈的分析与设计
ZigBee协议栈的分析与设计ZigBee协议栈的分析与设计引言随着物联网的不断发展，无线传感器网络（WSN）得到了广泛的应用。
ZigBee作为一种低功耗、短距离、低带宽的无线通信协议，逐渐成为物联网中最受欢迎的通信协议之一。
本文将对ZigBee协议栈进行深入的分析与设计，以期更好地理解其工作原理并提供一种优化方案。
一、ZigBee协议栈的结构与功能1. ZigBee协议栈结构ZigBee协议栈由两部分组成：上层和下层。
上层包括应用层（Application Layer）、网络层（Network Layer）和安全层（Security Layer）。
下层包括物理层（Physical Layer）和介质访问控制层（Media Access Control Layer）。
2. ZigBee协议栈功能- 物理层（Physical Layer）：负责将数据转换为无线信号，通过无线传输介质进行通信。
ZigBee协议栈支持多种物理层标准，例如2.4GHz、900MHz和868MHz等。
- 介质访问控制层（Media Access Control Layer）：负责数据帧的分发和接收，同时处理多跳中继和协议转发。
- 网络层（Network Layer）：提供网络拓扑管理、路由选择、数据包传输和安全性等功能。
ZigBee协议栈使用了Ad-hoc On-Demand Distance Vector（AODV）路由协议来实现自组网和动态路由选择。
- 应用层（Application Layer）：定义应用程序的协议和接口，包括设备发现、网络配置、设备控制等功能。
- 安全层（Security Layer）：提供数据加密和认证等安全机制，确保通信的可靠性和机密性。
二、ZigBee协议栈的分析1. 物理层分析ZigBee协议栈采用低功耗、短距离的射频通信技术。
2.4GHz频段是其最常用的无线传输介质，具有广泛的应用领域。
ZigBee协议栈使用了Direct Sequence Spread Spectrum （DSSS）技术来提高抗干扰性能。
ZigBee基础知识讲解
MSG命令帧格式如图1-2-3所示：
1.2.3ZigBee设备配置层 ZigBee设备配置层提供标准的ZigBee配置服务，它定义和处理描述符请求。在 ZigBee设备配置层中定义了称为ZigBee设备对象(ZigBee device object，ZDO)的 特殊软件对象，它在其他服务中提供绑定服务。远程设备可以通过ZigBee设备 对象（ZDO）接口请求任何标准的描述符信息。当接受到这些请求时，ZDO会 调用配置对象以获取相应的描述符值。子目前的ZigBee协议栈版本中，还没有 完全实现设备配置层。ZDO是特殊的应用对象，它在端点（end-point）0上实 现。 1.2.4用户程序 运行在ZigBee协议栈上的应用程序实际上就是厂商自定义的应用对象。这些应用 程序使用ZigBee联盟给出的并且批准的规范（profile）进行开发并且运行在端 点1-240上。
图1-3-1各层帧结构的构成
1-4ZigBee网络配置 ZigBee设备类型分为三类：网络协调器、网络路由器和网络终端设备。其中网 络协调者主要负责网络的建立，以及网络的相关配置；路由器主要负责找寻、建 立、以及修复网络报文的路由信息，并负责转发网络报文；网络终端具有加入、 退出网络得功能，并可以接收和发送网络报文，但终端设备不允许路由转发报文。 同常协调者和路由器节点一般由FFD功能设备构成，终端设备由RFD设备构成。 ZigBee网络根据应用的要求可以组织成星形网络、网状网络和簇状网络三种拓 扑结构。如图1-4-1所示。在星形结构中，所有的设备都与中心设备—PAN网络协 调者通信，实际上在这种简单的网络结构中路由器是没有路由作用的。在这种网 络结构中，网络协调者一般使用电力系统供电，而其他设备采用电池供电。星形 网络适合家庭自动化、个人计算机外设以及个人健康护理等小范围的室内应用； 与星形网络不同，网状网络（mesh）只要彼此在对方的无限辐射范围内，任何两 个FFD设备之间都能直接通信，在Mesh中每一个FFD设备之间都可以认为是路由器， 都可以实现对网络报文的路由转发功能，Mesh在构建时比较复杂，节点所要维护 的信息较多；对于簇状网路实际上可以看做是一个复杂的星形网络，一个扩展的 星型拓扑或是有多个简单的星形网络组成的拓扑结构，在簇状网络中，网络协调 者、路由器还和终端设备的功能清晰，相对于Mesh,构建簇状网络比较简单，所 需的资源相对较少，并且可以实现网络的路由转发功能，从而也扩大了网络的通 信范围。
Zigbee协议的基础知识
Zigbee协议的基础知识一、ZigBee堆栈层ZigBee堆栈是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的，定义了协议的MAC和PHY层。
ZigBee设备应该包括IEEE802.15.4(该标准定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信)的PHY和MAC层，以及ZigBee堆栈层：网络层(NWK)、应用层和安全服务提供层。
图1-1给出了这些组件的概况。
图：Zigbee堆栈框架每个ZigBee设备都与一个特定模板有关，可能是公共模板或私有模板。
这些模板定义了设备的应用环境、设备类型以及用于设备间通信的簇。
公共模板可以确保不同供应商的设备在相同应用领域中的互操作性。
设备是由模板定义的，并以应用对象(Application Objects)的形式实现(见图1-1)。
每个应用对象通过一个端点连接到ZigBee堆栈的余下部分，它们都是器件中可寻址的组件从应用角度看，通信的本质就是端点到端点的连接，例如，一个带开关组件的设备与带一个或多个灯组件的远端设备进行通信，目的是将这些灯点亮。
端点之间的通信是通过称之为簇的数据结构实现的。
这些簇是应用对象之间共享信息所需的全部属性的容器，在特殊应用中使用的簇在模板中有定义。
图1-1-2就是设备及其接口的一个例子：每个接口都能接收(用于输入)或发送(用于输出)簇格式的数据。
一共有二个特殊的端点，即端点0和端点255。
端点0用于整个ZigBee 设备的配置和管理。
应用程序可以通过端点0与ZigBee堆栈的其它层通信，从而实现对这些层的初始化和配置。
附属在端点0的对象被称为ZigBee设备对象(ZD0)；端点255用于向所有端点的广播；端点241到254是保留端点。
所有端点都使用应用支持子层(APS)提供的服务。
APS通过网络层和安全服务提供层与端点相接，并为数据传送、安全和绑定提供服务，因此能够适配不同但兼容的设备，比如带灯的开关。
APS使用网络层(NWK)提供的服务。
NWK负责设备到设备的通信，并负责网络中设备初始化所包含的活动、消息路由和网络发现。
6-Zigbee协议栈
ZigBee/IEEE802.15.4规格架构
IEEE 802.15.4无线个人局域网络的架构
• 一般在IEEE 802.15.4网络拓朴上，功能方面又可区分为两 种型态
– 全功能装置(Full-Function Device；FFD) • FFD之节点具备控制器之功能提供资料交换
– 精简型装置(Reduced-Function Device；RFD) • RFD则是只能单纯地传送资料给予FFD或是从FFD接 受简单资料。RFD多用在简单的电灯开关或是感测节 点的侦测上。
– Include目录下主要包含各个硬件模块的头文 件，
– Target 目录下的文件是跟硬件平台相关的。
• (3)MAC
– 包含MAC层的参数配置文件及其MAC的 LIB库的函数接口文件
TI Z-Stack软件架构
• （4）MT:监控调试层目录
– 该目录下的文件主要用于调试目的，及实现通 过串口调试各层，与各层进行直接交互。
• 将数百个sensor布署于森林中，以对任何火灾地点的判定提供最快的讯 息。
• sensor network能提供遭受化学污染的位置及检定出何种化学污染，不 需要人亲自冒险进入受污染区。
• 水灾判定。 • 监测空气污染、水污染及土壤污染。 • 生态上的监控，例如生物栖息地与觅食习惯。
TI Z-Stack简介
TI Z-Stack软件架构
• Z-Stack的main函数在ZMain.c中，总体上来 说，它一共做了两件工作，一个是系统初 始化，即由启动代码来初始化硬件系统和 软件构架需要的各个模块，另外一个就是 开始执行操作系统实体 。
TI Z-Stack软件架构
• 在项目中组织Z-Stack文件
ZigBee基础知识讲解
ZigBee基础知识讲解目录一、ZigBee技术概述 (2)二、ZigBee网络结构 (3)2.1 网络拓扑结构 (4)2.2 设备角色 (5)2.3 基本网络模式 (6)三、ZigBee协议栈 (7)3.1 物理层 (8)3.2 链路层 (10)3.3 网络层 (11)3.4 应用层 (12)四、ZigBee设备类型 (13)4.1 网络协调器 (14)4.2 节点设备 (15)4.3 外部设备 (17)五、ZigBee通信机制 (18)5.1 数据传输方式 (19)5.2 通信协议 (21)5.3 数据传输速率与容量 (22)六、ZigBee安全机制 (23)6.1 认证机制 (25)6.2 隐私保护 (26)6.3 安全服务与应用 (27)七、ZigBee设备配置与调试 (29)7.1 设备初始化 (30)7.2 网络参数设置 (32)7.3 设备状态监控与维护 (33)八、ZigBee应用案例分析 (35)8.1 智能家居系统 (36)8.2 工业自动化控制系统 (38)8.3 智能交通系统 (39)8.4 公共安全监测系统 (41)九、ZigBee发展趋势与挑战 (42)9.1 技术发展趋势 (44)9.2 应用前景展望 (45)9.3 面临的挑战与应对策略 (47)一、ZigBee技术概述定义与特点：ZigBee是基于IEEE 标准的无线通信技术，具有低功耗、低数据速率、低成本和可靠性的特点。
ZigBee联盟通过扩展IEEE标准，增加了网络、安全和应用层的功能。
该技术主要适用于需要长时间工作且电池寿命非常关键的应用。
应用领域：ZigBee技术广泛应用于智能家居、工业自动化、智能农业、智能交通等领域。
智能家居中的照明控制、安防系统。
网络结构：ZigBee网络主要由协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端设备（End Device）组成。
协调器负责创建和加入网络，路由器负责路由和数据转发，终端设备则执行特定的任务。
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Zigbee协议栈原理基础1Zigbee协议栈相关概念1.1近距离通信技术比较：近距离无线通信技术有wifi、蓝牙、红外、zigbee，在无线传感网络中需求的网络通信恰是近距离需求的，故，四者均可用做无线传感网络的通信技术。
而，其中（1）红外（infrared）：能够包含的信息过少；频率低波衍射性不好只能视距通信；要求位置固定；点对点传输无法组网。
（2）蓝牙（bluetooth）：可移动，手机支持；通信距离10m；芯片价格贵；高功耗（3）wifi：高带宽；覆盖半径100m；高功耗；不能自组网；（4）zigbee:价格便宜；低功耗；自组网规模大。
▫▫▫▫⇨WSN中zigbee通信技术是最佳方案，但它连接公网需要有专门的网关转换→进一步学习stm32。
1.2协议栈协议栈是网络中各层协议的总和，其形象的反映了一个网络中文件传输的过程：由上层协议到底层协议，再由底层协议到上层协议。
1.2.1Zigbee协议规范与zigbee协议栈Zigbee各层协议中物理层（phy）、介质控制层（mac）规范由IEEE802.15.4规定，网络层（NWK）、应用层（apl）规范由zigbee联盟推出。
Zigbee联盟推出的整套zigbee规范：2005年第一版ZigBeeSpecificationV1.0，zigbee2006，zigbee2007、zigbeeprozigbee协议栈：很多公司都有自主研发的协议栈，如TI公司的：RemoTI，Z-Stack，SimpliciTI、freakz、msstatePAN 等。
1.2.2z-stack协议栈与zigbee协议栈z-stack协议栈与zigbee协议栈的关系：z-stack是zigbee协议栈的一种具体实现，或者说是TI公司读懂了zigbee 协议栈，自己用C语言编写了一个软件—---z-stack，是由全球几千名工程师共同开发的。
ZStack-CC2530-2.3.1-1.4.0软件可与TI的SmartRF05平台协同工作，该平台包括MSP430超低功耗微控制器(MCU)、CC2520RF收发器以及CC2591距离扩展器，通信连接距离可达数公里。
Z-Stack中的很多关键的代码是以库文件的形式给出来，也就是我们只能用它们，而看不到它们的具体的实现。
其中核心部分的代码都是编译好的，以库文件的形式给出的，比如安全模块，路由模块，和Mesh自组网模块。
与z-stack 相比msstatePAN、freakz协议栈都是全部真正的开源的，它们的所有源代码我们都可以看到。
但是由于它们没有大的商业公司的支持，开发升级方面，性能方面和z-stack相比差距很大，并没有实现商业应用，只是作为学术研究而已。
还可以配备TI的一个标准兼容或专有的网络协议栈（RemoTI，Z-Stack，或SimpliciTI）来简化开发,当网络节点要求不多在30个以内，通信距离500m-1000m时用simpliciti。
1.2.3IEEE802.15.4标准概述IEEE802.15.4是一个低速率无线个人局域网(LowRateWirelessPersonalAreaNetworks，LR-WPAN)标准。
定义了物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC)。
LR-WPAN网络具有如下特点：◆实现250kb/s，40kb/s，20kb/s三种传输速率。
◆支持星型或者点对点两种网络拓扑结构。
◆具有16位短地址或者64位扩展地址。
◆支持冲突避免载波多路侦听技术(carriersensemultipleaccesswithcollisionavoidance，CSMA/CA)。
（mac层）◆用于可靠传输的全应答协议。
(RTS-CTS)◆低功耗。
◆能量检测(EnergyDetection，ED)。
◆链路质量指示(LinkQualityIndication，LQI)。
◆在2.45GHz频带内定义了16个通道；在915MHz频带内定义了10个通道；在868MHz频带内定义了1个通道。
为了使供应商能够提供最低可能功耗的设备，IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers，电气及电子工程师学会)定义了两种不同类型的设备：一种是完整功能设备(full．functionaldevice，FFD)，另一种是简化功能设备(reduced．functionaldevice，RFD)。
1.2.4ZigBee协议体系结构IEEE802.15.4定义物理层、介质访问控制层ZigBee联盟定义网络层(networklayer，NWK)、应用层(applicationlayer，APL)。
应用层内定义：应用支持子层(applicationsupportsub—layer，APS)、ZigBee设备对象(ZigBeeDeviceObject，ZDO)（端点号0）、应用框架中用户自定义应用对象（端点号1-240，可以定义0-240个应用）。
每一层为其上层提供特定的服务--数据服务实体→数据传输服务；管理实体提供→管理服务。
每个服务实体通过相应的服务接入点(SAP)为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。
1.2.4.1物理层：物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。
具体内容：1)ZigBee的激活；2)当前信道的能量检测；3)接收链路服务质量信息；4)ZigBee信道接入方式；5)信道频率选择；6)数据传输和接收。
1.2.4.2介质接入控制子层（MAC）MAC层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN连接和分离，提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。
具体功能：1）网络协调器产生信标；2）与信标同步；3）支持PAN(个域网)链路的建立和断开；4）为设备的安全性提供支持（加密解密功能）；5）信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入(CSMA-CA)机制；6）处理和维护保护时隙(GTS)机制；7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。
1.2.4.3网络层（NWK）ZigBee协议栈的核心部分在网络层。
网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能。
具体功能：1)网络发现；（路由器、终端）2)网络形成；（协调器）3)允许设备连接；4)路由器初始化；5)设备同网络连接；6)直接将设备同网络连接；7)断开网络连接；8)重新复位设备；9)接收机同步；10)信息库维护。
1.2.4.4应用层（APL）应用层包括：应用支持层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)、制造商所定义的应用对象(AF)。
（1）APS功能：维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。
（2）ZDO功能：定义设备在网络中的角色(如物理实体节点被定义为协调器、路由器还是终端设备)，发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制（加解密），发现网络中的设备并且决定向他们提供何种应用服务。
ZDO使用APS层的APSDE-SAP和网络层的NLME-SAP。
ZDO是特殊的应用对象，它在端点(entire)0上实现。
远程设备通过ZDO请求描述符信息，接收到这些请求时，ZDO会调用配置对象获取相应描述符值（eg设备什么时候出厂的、需不需要电池、传输距离多少、使用什么规范）。
（3）AF（应用程序框架）：用户自定义的应用对象，并且遵循规范（profile）运行在端点1~240上。
在ZigBee应用中，提供2种标准服务类型：键值对（KVP）或报文（MSG）。
2ZigBee基本概念2.1设备类型三种逻辑设备类型：协调器、路由器、终端设备。
协调器的角色主要涉及网络的启动和配置。
一旦这些都完成后，协调器的工作就像一个路由器(或者消失goaway)。
由于ZigBee网络本身的分布特性，因此接下来整个网络的操作就不在依赖协调器是否存在。
路由器一直活跃，须使用主电源供电。
但当树状拓扑结构时，允许其间隔一定的周期操作一次，可使用电池。
终端设备没有特定的维持网络结构的责任，可以睡眠或者唤醒，可用电池供电。
对存储空间(特别是RAM的需要)比较小。
2.2协议规范协议栈规范由ZigBee联盟定义指定。
在同一个网络中的设备必须符合同一个协议栈规范（同一个网络中所有设备的协议栈规范必须一致）。
ZigBee联盟为ZigBee协议栈2007定义了2个规范：ZigBee和ZigBeePRO。
所有的设备只要遵循该规范，即使在不同厂商买的不同设备同样可以形成网络。
如果应用开发者改变了规范，那么他的产品将不能与遵循ZigBee联盟定义规范的产品组成网络，也就是说该开发者开发的产品具有特殊性，我们称之为“关闭的网络”，也就是说它的设备只有在自己的产品中使用，不能与其他产品通信。
更改后的规范可以称之为“特定网络”规范。
协议栈规范的ID号可以通过查询设备发送的beacon帧获得。
在设备加入网络之前，首先需要确认协议栈规范的ID。
“特定网络”规范ID号为0；ZigBee协议栈规范的ID号为1；ZigBeePRO协议栈规范的ID号为2。
协议栈规范的ID（STACK_PROFILE_ID）在nwk_globals.h中定义：#defineNETWORK_SPECIFIC0#defineHOME_CONTROLS1//zigbee首先应用于智能家居，故直接把zigbee协议栈规范定义为home_control #defineZIGBEEPRO_PROFILE2#defineGENERIC_STAR3#defineGENERIC_TREE4#ifdefined(ZIGBEEPRO)#defineSTACK_PROFILE_IDZIGBEEPRO_PROFILE#else#defineSTACK_PROFILE_IDHOME_CONTROLS#endif2.3拓扑结构星型、树状、网状#defineNWK_MODE_STAR0#defineNWK_MODE_TREE1#defineNWK_MODE_MESH2#if(STACK_PROFILE_ID==ZIGBEEPRO_PROFILE)#defineNWK_MODENWK_MODE_MESH#elif(STACK_PROFILE_ID==HOME_CONTROLS)#defineNWK_MODENWK_MODE_MESH#elif(STACK_PROFILE_ID==GENERIC_STAR)。