Zigbee的協(xié)議棧結構介紹

Zigbee技術(shù)已經(jīng)出現近十多年。記得Zigbee出現初期，曾有一批公司以Zigbee應用為創(chuàng )業(yè)方向?？梢哉f(shuō)至今Zigbee市場(chǎng)始終沒(méi)有紅火起來(lái)，不過(guò)隨著(zhù)近年智能家居的應用逐漸增多，Zigbee技術(shù)又時(shí)常會(huì )出現在我們眼前。與同樣是2.4GHz頻段的藍牙，Wi-Fi技術(shù)相比、Zigbee可以說(shuō)是一個(gè)熟悉又陌生的技術(shù)。

圖1：Zigbee模塊與應用它的智能家居產(chǎn)品（圖片拍攝于智能家居展）

什么是Zigbee技術(shù)？

我們來(lái)看看Zigbee聯(lián)盟是如何回答這個(gè)問(wèn)題的：Zigbee聯(lián)盟稱(chēng)其為“唯一完整的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，具有mesh網(wǎng)絡(luò )和通用的語(yǔ)言，這使得智能設備可以協(xié)同工作”。這個(gè)回答夠簡(jiǎn)單也夠直接。

Mesh網(wǎng)絡(luò )表示其具有動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)能力，對等網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)可以互連互通，每個(gè)節點(diǎn)都可以作為AP使用，從而實(shí)現動(dòng)態(tài)路由，大幅提高網(wǎng)絡(luò )通信效率，適用于多設備網(wǎng)絡(luò )。萬(wàn)一某個(gè)AP節點(diǎn)故障，便可自動(dòng)開(kāi)辟新的傳輸路線(xiàn)，保證數據傳輸。通用的語(yǔ)言，應該就是標準的協(xié)議棧，與藍牙、Wi-Fi產(chǎn)品一樣，不同供應商按照標準協(xié)議開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品可以互相組網(wǎng)工作。 以上兩點(diǎn)確實(shí)高度概括，初步指也是適合智能家居的應用場(chǎng)景。據研究者分析，以100平米大小的住宅為例，需要聯(lián)網(wǎng)的智能家居設備最低也要超過(guò)50個(gè)，一般的Wi-Fi AP難以管理如此多的設備。另外，這些設備多為傳感器應用的簡(jiǎn)易設備，自動(dòng)組網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò )故障自修復能力對其至關(guān)重要。智能家居設備品牌眾多，標準的協(xié)議棧也是不可或缺的。

mesh網(wǎng)絡(luò )結構及技術(shù)指標

除了以上高度概括的兩句話(huà)外，Zigbee的mesh網(wǎng)絡(luò )結構及技術(shù)指標如下。

網(wǎng)絡(luò )設備分類(lèi)構成：

Coordinator（routing capable）--協(xié)調員

Router--路由器

End Device--終端設備

Zigbee Green Power Device--針對綠色能源應用的Zigbee設備

圖2：Zigbee mesh網(wǎng)絡(luò )拓撲圖

（引自https://www.cnblogs.com/stonecastle/p/3140146.html）

網(wǎng)絡(luò )規模：理論上支持65000個(gè)設備組網(wǎng)

無(wú)線(xiàn)技術(shù)：采用802.15.4標準

頻段：2.4GHz

帶寬及通道數量：2MHz/16通道

數據傳輸速率：250kbs

支持加密技術(shù)：AES-128

通信距離：

大于300米，室外無(wú)遮條件下

75--100米，室內

低功耗：支持設備睡眠模式

由于智能家居設備有許多采用電池供電的傳感器設備，低功耗是不可回避的。Zigbee技術(shù)也是專(zhuān)門(mén)針對低功耗應用的無(wú)線(xiàn)解決方案，其標準專(zhuān)門(mén)定義了設備睡眠模式。

圖3：Zigbee的特色（圖片來(lái)自Zigbee聯(lián)盟官網(wǎng)）

Zigbee的協(xié)議棧結構

接下來(lái)我們再了解一下Zigbee的協(xié)議棧，請看圖4：

圖4：Zigbee協(xié)議棧結構（圖片來(lái)自Zigbee specification）

從圖4可以看出，協(xié)議層結構分為硬件與軟件，硬件層包括IEEE 802.15.4定義的PHY（物理層）和MAC（介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層），軟件層為Zigbee聯(lián)盟定義的NWK（網(wǎng)絡(luò )層）、APS（應用程序支持層）、APL（應用層）。對于Zigbee協(xié)議棧的使用者而言，無(wú)非就是利用協(xié)議棧實(shí)現Zigbee設備組網(wǎng)、數據發(fā)送和數據接收功能。 智能家居開(kāi)發(fā)工程師在采用Zigbee技術(shù)上一般可以通過(guò)以下兩種方式實(shí)現。

一為直接采用Zigbee模塊，模塊與系統控制MCU通信，將要組網(wǎng)和數據收發(fā)功能通過(guò)Zigbee模塊去實(shí)現。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是系統開(kāi)發(fā)周期短、技術(shù)難度小、回避射頻設計，缺點(diǎn)是成本高，體積大。

另一種為采用帶有Zigbee功能的SoC，將系統應用與Zigbee系統融合為一體。優(yōu)點(diǎn)為集成度高、成本低；缺點(diǎn)為技術(shù)難度高，需要具有一定的射頻設計能力。