Zigbee开发调研报告

Zigbee开发调研报告

本报告着重介绍了Zigbee开发中的关于协议的技术，并针对我们关心的协议修改、算法设计进行了可行性分析。最后介绍了市场上符合我们需求的开发板。

目录

Zigbee开发调研报告 (1)

1、关于自己开发协议算法的调研情况 (2)

2、协议介绍 (2)

2.1 物理层 (3)

2.2 媒体访问控制层 (3)

2.3网络层 (3)

3、Zigbee的网络配置 (3)

4、Zigbee的组网技术 (3)

5、智能家居系统工作流程 (4)

6、Zigbee在智能家居中的组网工作流程 (4)

7、市场模块选取 (5)

1、关于自己开发协议算法的调研情况

IEEE 802.15.4规定了MAC 和PHY 层，我所调研的几款芯片都是具备了符合802.15.4的物理层调制等技术的射频芯片，一般的使用是将协议栈下载到芯片内运行，这其中可以自己进行修改设计的地方很多，甚至可以自己编程序开发协议栈。同时还有很多开源的免费协议栈可以在网上下载使用。但是像TI 提供的z-stack 协议栈并非完全开源，我们不可以修改所有部分，这些商业应用协议栈比较完善，应用层直接调用即可。

具体技术要在开发中学习研究，比如开发中可以使用协议分析软件看到所有封包的每一字节，要有了一定认识了解后才好做进一步的符合自己需求的网络算法设计。

Zigbee 协议栈主要由zigbee 联盟制定，ZigBee 联盟不对协议栈级的兼容性进行测试，仅在平台或产品级执行测试。如果一家软件协议栈公司希望销售基于ZigBee 标准的协议栈，其必须是一名联盟成员。如果希望开发免费使用的协议栈，那么就不要求是联盟成员。如果希望在其产品上使用标识，就必须获得ZigBee 产品认证。因此只要ZigBee 联盟认证的协议栈都互相兼容。zigbee 协议栈主要由TI 公司的z-stack 方案（代表芯片为cc2430，cc2530）和Jennic 公司的方案（代表芯片为JN5121）。建议用该芯片公司提供的方案，因为芯片公司会提供基于该芯片的详细例程，数据手册。

2、协议介绍

Zigbee 堆栈是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的，IEEE 802.15.4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。

2.1 物理层

物理层主要完成以下工作：激活和禁用射频收发器，对信道进行能量检测ED(Energy Detect)，提供所接收数据包的链路质量指示LQI(Link Quality Indication)，空闲信道评估CCA(Clear Channel Assessment)，信道频率选择，数据发送和接收等。

2.2 媒体访问控制层

MAC层提供MAC层数据服务和MAC层管理服务，起主要功能包括采用CSMA/CA进行信道访问控制、信标帧发送、同步服务和提供MAC层可靠传输机制。

2.3网络层

ZigBee协议栈的核心部分在网络层（NWK），ZigBee网络层的主要功能是提供一些必要的函数，确保MAC层正常工作，并为应用层提供合适的服务接口，为此，网络层提供了两个必须的功能服务实体，分别是数据服务实体（NLDE）和管理服务实体（NLME）。网络层的主要职责包括提供设备加入网络和离开网络的机制，提供数据帧传输的安全机制和路由机制。另外，发现并保持设备间的路由，发现一跳邻居并存储潜在邻居信息也是由网络层完成的。ZigBee网络层支持的网络拓扑有星型、树型和网型三种。对于ZigBee协调器来说，其网络层还必须负责启动一个新的网络，给新的关联设备分配地址等工作。

3、Zigbee的网络配置

在一个Zigbee网络中，至少存在一个FFD充当整个网络的协调点，即PAN协调点，Zigbee中也称作Zigbee协调点。一个Zigbee网络只有一个PAN协调点。通常，PAN协

调点是一个特殊的FFD，它具有较强大的功能，是整个网络的主要控制者，它负责建立

新的网络、发送网络信标、管理网络中的节点以及存储网络信息等。FFD和RFD都可

以作为终端节点加入Zigbee网络。此外，普通FFD也可以在它的个人操作空间（POS）

中充当协调点，但它仍然受PAN协调点的控制。Zigbee中每个协调点最多可连接255

个节点，一个Zigbee网络最多可容纳65535个节点。

4、Zigbee的组网技术

Zigbee中，只有PAN协调点可以建立一个新的Zigbee网络。当Zigbee PAN协调点

希望建立一个新网络时，首先扫描信道，寻找网络中的一个空闲信道来建立新的网络。

如果找到了合适的信道，Zigbee协调点会为新网络选择一个PAN标识符（PAN标识符

是用来标识整个网络的，因此所选的PAN标识符必须在信道中是唯一的）。一旦选定了PAN 标识符，就说明已经建立了网络，此后，如果另一个Zigbee协调点扫描该信道，这个网络的协调点就会响应并声明它的存在。另外，这个Zigbee协调点还会为自己选择一个16bit网络地址。Zigbee网络中的所有节点都有一个64 bit IEEE扩展地址和一

个16 bit网络地址，其中，16bit的网络地址在整个网络中是唯一的，也就是802.15.4中

的MAC短地址。

（16位短地址是设备与PAN网络协调设备关联时，由协调设备分配的网内局

部地址，是该设备在这个局域网内的标识符）

Zigbee协调点选定了网络地址后，就开始接受新的节点加入其网络。当一个节点希

望加入该网络时，它首先会通过信道扫描来搜索它周围存在的网络，如果找到了一个网络，它就会进行关联过程加入网络，只有具备路由功能的节点可以允许别的节点通过它

关联网络。如果网络中的一个节点与网络失去联系后想要重新加入网络，它可以进行孤

立通知过程重新加入网络。网络中每个具备路由器功能的节点都维护一个路由表和一个

路由发现表，它可以参与数据包的转发、路由发现和路由维护，以及关联其它节点来扩

展网络。

Zigbee网络中传输的数据可分为三类：周期性数据，例如传感器网中传输的数据，

这一类数据的传输速率根据不同的应用而确定；间歇性数据，例如电灯开关传输的数

据，这一类数据的传输速率根据应用或者外部激励而确定；反复性的、反应时间低的数据，例如无线鼠标传输的数据，这一类数据的传输速率是根据时隙分配而确定的。为了

降低Zigbee节点的平均功耗，Zigbee节点有激活和睡眠两种状态，只有当两个节点都

处于激活状态才能完成数据的传输[18]。在有信标的网络中，Zigbee协调点通过定期地广播信标为网络中的节点提供同步；在无信标的网络中，终端节点定期睡眠，定期醒来，

除终端节点以外的节点要保证始终处于激活状态，终端节点醒来后会主动询问它的协调

点是否有数据要发送给它。在Zigbee网络中，协调点负责缓存要发送给正在睡眠的节点

的数据包。

5、智能家居系统工作流程

系统工作流程如下：首先智能家居网络控制器(主节点)建立Zigbee智能网络，各个

网络控制器(分节点)随后加入该网络，他们共同组成一个簇状的Zigbee无线家居网络。

当需要对某一家居设备进行控制或者监测时，主节点找到与该家居设备相连的分节点的

信息，并将控制信息发往该分节点所在房间的路由器，路由器再将信息转发给对应的分

节点，分节点接收到信息后，送入功能驱动模块，功能驱动模块对该家居设备进行相应

的操作。

6、Zigbee在智能家居中的组网工作流程

基于这种家居网络结构，在系统中设计网络组网流程如下：首先由充当协调器的网

络控制器主节点发起请求并建立网络，同时创建一个网络邻接表，随后为每个路由器分

配一个16位PAN ID(此地址仅在该网络中有效)，并将信息添加到该网络邻接表中，网

络节点的添加就完成了。当路由器下层的家居设备想加入该网络时，将自身信息(由IEEE 分配的64位全球唯一标识符等)发送给路由器，再由路由器将此信息转发给网络协调器。网络协调器根据不同路由器转发来的信息进行分组，然后为每个家电分配一个16位的