Zigbee学习笔记

为一个硬件从业人员，虽然不是从事物理网行业的，但是多少得了解一些，以下是笔者最近学习Zigbee的笔记，包含了Zigbee基本知识，正确的学习方法。

Zigbee无线传感网络

先搞清楚IEEE802.15.4协议。

这个协议必须搞清楚，搞不定这个协议，Zigbee永远吃不透。其实学习这个很简单，如果学过TCP/ip的话，大家知道，我们要去掌握整个tcp/ip核心的话，我们要掌握以太网底层的一些协议，比如我们做驱动，我们做开发，如果说不懂的话，是没有办法做项目的，更直白一点，没法在工作中去解决实际的问题。对于老板来说，老板招人过来，就是要解决问题的，如果没有解决问题的能力，那在职场中是没有竞争力的。

ZIGBEE是什么？

在传统的无线网络当中，大家耳熟能详的就是两种，蓝牙和wifi。在物联网的世界，也存在物与物之间存在信息沟通的桥梁，也是通过无线技术，最经典的就是ZIGBEE技术，还有ZWAVE技术，不过ZWAVE在中国还是用得很少的。

为什么要引入zigbee呢？

有了Zigbee之后，全球才有了一个物联网的概念，Zigbee号称我们商用的第一个无线传感网络。

到目前为止，无论是国内还是全球，Zigbee是商用最多的，Zigbee做出来的产品是很多的，在国内，最典型的Zigbee应用是在智能家居领域，目前在国内推出的只能家居，绝对是Zigbee，为什么呢？

zigbee出来比较早，大概是在03年，Zigbee整个协议的这个技术现在变得很成熟。真正可商用化的产品，一定会选一个成熟的技术方案。

Zigbee能够干什么?

Zigbee主要用于构建无线局域网，如果这个无线局域网用于传感器的数据收集和监控，这个网络就叫做无线传感器网络（WSN:Wirelss Sensor Network），是无线局域网的具体应用。

Zigbee是属于无线传感网络的一种。

图中Sink node叫做集中器，负责整个Zigbee网络的管理和接入的，同时还负责和外围交互，可以和PC，互联网进行连接。

单纯的一个Zigbee是没有实际的应用场景的，现在使用的各种的物联网终端，最起码有一个app，需要用来观看无线传感网络中的信息，需要保证这个Sink node接入到我们的物联网当中来。

Zigbee特点

低功耗：6个月-2年，为什么是一个比较大的范围呢？任何一个低功耗的传感网络，首先需要问工作方式是什么，比如多长时间获取一次数据，多长时间发送一次数据，才能得到具体的使用时间。

高可靠性：用tcp/ip来解释，在tcp/ip协议中，有两种经典协议，TCP和UDP，一个是面向连接的，一个是无连接的，一个是可靠传输的，一个是不可靠传输的。无线连接本身存在不可靠性，zigbee针对这个做了一些高可靠性的机制。

低成本：开源，免专利费

碰撞避免机制，交互确认的机制，保证可靠通信

低延时：设备搜索时延30ms，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms

低数据量：Zigbee每个网络模块射频前端的数据传输为250kbps

网络容量大：Zigbee可以采用星形，树形，网形的结构组网，而且可以通过任一节点组成更大的网络结构，从理论上讲，其可连接的节点多达65535个，其实就是一个16bit的数。实际应用中并没有这么多，实际受限于硬件资源。所谓的硬件资源就是芯片的ram，flash，是否能够容纳这么多的节点，是否能够管理。

高保密性：Zigbee提供了基于循环冗余校验（CRC)的数据包完整性检验和鉴权的功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。----所有的无线传输，都是通过一个射频的物理通道，任何人都可以利用zigbee协议开放特性，通过射频芯片发送数据包。但是与互联网一样，我们访问网站的时候，为什么要用https，是因为安全机制，个人网络不希望被人攻击，这个时候需要考虑网络的健壮性，保密性。Zigbee采用AES-128，并需要硬件支持

全球的通用性和完好的开发性：由于Zigbee标准协议，因此不同厂家芯片利用Zigbee通信将是轻而易举的事情。如ti的方案，恩智浦的方案，只要都满足Zigbee，互相通信将不是问题。

Zigbee学习模式

单片机+Zigbee=学习模式

只花20%的实际学习单片机的外设，编程。要花80%的时间放在Zigbee协议栈。只有这样才能用Zigbee来做项目，但是很多书籍都是大篇介绍单片机的使用，各种外设的使用。

学Zigbee其实学的是网络编程。Zigbee的代码量其实是挺大的，不要一上来就分析代码，要明白整个协议的设计，才能明白代码，才能读懂代码。

抓包分析：如果没有抓包能力，传输的数据就没法知道是上面什么意思，当网络不通的时候就没法分析。如果掌握抓包能力，发的任何信息都能知道是上面意思，这样才能把Zigbee掌握透彻。

Zigbee联盟

Zigbee协议标准的一个协会。

Zigbee硬件平台

TI，Jennic，Silicon Labs

不同厂家都有自己硬件上的芯片，都有自己软件的协议栈。

Zigbee协议栈

Zigbee协议实现的代码库

Zigbee协议栈，有一个分层的概念。不管是软件还是硬件项目，达到一定规模之后，都要进行分层，不分层的话，项目的管理，可扩展性等等效率问题解决不了。

Zigbee分层

最下面是IEEE802.15.4是一个标准，它规定了协议的物理层和MAC层，再上面是Zigbee的网络层Zigbee NWK（network）和应用层。网络层和应用层又分很多模块，为什么呢？

首先网络分层以后，要有加密特性（Security），再往上是一个Zigbee应用支持的子层，在网络层和应用层之间又开辟了一个子层（Zigbee Application Support Subplayer（APS））这个层起到承上启下的作用。承上指的是给整个Zigbee应用的框架。

Zigbee会根据不同的场景（Application Object），比如智能家居，能源，工业等等不同的场景，有一个库的概念。

针对设备终端的管理，又有单独的一个层，Zigbee Device object。

学习Zigbee就是学些Zigbee层与层之间的实现，或者说掌握层与层之间的交互，只有把各个功能模块之间了解清楚，Zigbee才有可能吃透。

IEEE802.15.4协议

Zigbee学习第一个要搞明白的就是Zigbee的物理层和Mac层，为什么呢？我们学习单片机，其实就是和硬件打交道，Zigbee通讯也是建立在硬件的基础之上的，硬件基础指的就是射频，要搞清楚这个无线射频到底是怎么来通讯的。如果说底层搞不清的话，应用层也是很难理解，因为它很抽象。-----所以说要搞清楚802.15.4这个协议。

Zigbee是由Zigbee联盟所主导的标准，定义了网络层，安全层和应用层，以及各种应用的产品架构；而由IEEE所制定的802.15.4标准，则是定义了物理和MAC层。

Zigbee协议，Zibgee联盟和IEEE组织都参与制定。

Zigbee网络分层

下面是MAC层和PHY层，其实几个网络协议都差不多，只是底层的实现不同。

比如wifi，wifi为什么能跑TCP/IP协议，wifi的物理层和以太网的物理层是完全不同的，如果没有把MAC和物理层分层的话，wifi是没有办法很容易的跑TCP/IP协议的。有了分层，我们就可以把以太网协议移植到射频里面来。

物理层频带参数

三个频段，国内用得最多是2.4Ghz-2.4835Ghz，在2.4G划分了16个信道（信道11到信道26），信道与信道的带宽是5Mhz，信道与wifi信道有交叉（如果应用中信号通讯不稳定，可以看下使用的信道是否和wifi相同，被占用比较多）

868MHZ--美国

915MHZ--欧洲

把数字信号变成一个射频信号，涉及到调制，调整方式为FSK（频移键控），通过频率的变化来表示我们的0，1信号，把数字信号变为模拟信号。

物理帧格式

前导码（4字节）：用于符合同步。

起始分隔符（1字节）：用于帧同步。

物理头端（1字节）：指定了物理服务数据单元的长度。

物理服务单元（<=127字节）：用于负载数据，与以太网帧相比，属于低数据量。

MAC层网络拓扑结构

网络协调器：

全功能设备（FFD,Router）：可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信，也叫路由节点

精简功能设备（RFD）：支持量型结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单。

网状型结构全功能设备之间相互可以交互，这种组网的应用场景很多，但是这种组网方式对单个节点的运算能力比较高。因为它要存很多路由表，或者路由信息，要负载整个网络的管理。若其中一个节点坏了，其它节点如何进行组网，如何进行网络恢复，这些对单个节点的要求是比较高的。

实际我们在项目应用当中，蔟状型的网络是用得最多的，这样可以用低成本的处理器就可以构建一个zigbee网络。

帧格式

Mac层帧结构目标：用最低复杂度实现多噪声无线信道环境下的可靠传输。多噪声指环境非常恶劣的情况下，用一个低复杂度的算法，实现可靠的传输。

帧组成：

地址格式--16位短地址和64位扩展地址。

帧控制字段的内容指示地址类型。

帧的类型--信标帧，数据帧，确认帧，MAC命令帧。

理解信标帧是非常重要的，在整个MAC层协议里面，网络管理会大量的使用信标帧。

在IEEE 802.15.4中，可以选用超帧为周期组织LR-WPAN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开始，在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。

网络中的普通设备收到包含超帧结构的信标帧后，就可以根据其中的配置信息安排自己的任务。

超帧将通信时间划分为活跃和不活跃的两个部分。

如何通俗理解超帧呢?在协调器发送信标帧的时间段内，里面包含一个超帧，在超帧里面，发布了上这些消息：竞争接入的时间段（CAP）,非竞争接入的时间段（CFP）,保证时隙的间隔时间（GTS）,非活跃的时间段。

竞争接入的时间段（CAP），什么意思呢？帧里面，包含了时间戳，在整个网络里面，所有的终端，所有的节点，在CAP整个时间段里面，是允许接入网络的。在任何一个节点接入的时间，第一件事就是要入网，现在规定了时间才能入网，并不是设备在任何时间都能入网。在CAP采用时隙CSMA/CA协议进行通信（CSMA:载波冲突检测）。

非竞争接入时段（CFP）,就是在这段时间段内，就不需要和别的设备抢了，当设备节点入网的时候，可以在这段时间内发送入网请求。

保证时隙的间隔时间（GTS），在这个间隔的时间里面，设备节点才能正常的通信。---时间片

非活跃时间段，在这个时间内，整个网络里面不允许任何的交互。--静默时间

由上可知，整个网络的管理，协调器就是通过这种信标帧超帧的结构，来管理所有节点的交互。所以我们在做实验的时候，如果发现协调器不通信了，可以抓包分析看看，这个协调器发送超帧的时间是多长时间，就能一目了然是为什么。为了保证实时性，我们可以把上面这几个时间槽设置的短一点，周期快一点。为了更低的功耗，我们可以把时间周期设得长一点。

协调器为每一个节点都能分配一个时间槽，叫GTS，那么就需要所有的时间设备节点的时间都是一样的（时间同步）。

在目前zigbee的实际使用中，是不会使用信标不使能的模式的，因为不使能的情况下，网络会非常差，非常不可靠，一般都是信标使能的模式。

信标帧使能通信

信标使能通信，类似于TCP/IP的三次握手机制。当协调器要发送数据给设备的时候，要比设备发送给协调器要复杂一点。

在使能信标帧网络中，是有规定时隙的，CFP，CAP，TPS。在信标帧中，规定了在CFP时间点才能竞争入网，在CAP时间点才能非竞争入网通信，在GTS时间点才能发送数据。

在非使能信标帧网络中，就是设备节点看网络中是否有其它设备节点来抢信道资源，如果有其它设备，那本设备就等一会儿，这种网络会非常不稳定。

NB后退次数：可以理解为一个最大值，假设后退次数为3时，我想发言，第一次发现有其他人在发言，我等一会儿，第二次发现有人在发言，我再等一会儿，第三次发现还有人在发言，我就放弃此次发言。

CW碰撞窗口的长度：当我想发言的时候，我发现没人跟我抢，我谨慎一点，再等一会儿，发现还是没有人跟我抢，这是我就去发言。

BE后退指数：取值范围为0~5，协议推荐值为3，最大值为5。

Z-Stack版本

国内用得最多时候是Z-Stack2.3.1-1.4.0版本（2011），目前商用的版本是Z-Stack 2.5.1a，后面的版本是针对不同行业的，如智能家居，照明，能源，Mesh网络。我们学习Z-Stack，学习Z-Stack2.5.1a就比较好。

当我们不用51的核，采用ARM的核的时候，使用协议Z-STACK-3.0.1

Z-Stack目录结构

我们学习Zigbee，需要了解Z-Stack的整个目录，这里面不光包含了Z-Stack的源码，协议的实现，同时，针对协议栈，提供了大量的工具以及说明文档。

第一个目录Components包含所有的源码组件：硬件Hal，Mac层，mt，操作系统抽象层osal，服务层Services，协议栈层stack，zmac协议层。

第二个目录Document为官方的说明文档，需要掌握如何去看这些文档及手册。

第三个目录Projects为典型的工程案例，已经写好的应用代码。

第四个目录Tools为一些上位机工具。

OSAL操作系统抽象层

OSAL操作系统抽象层如何实现多任务

任务调度：多任务的实现

时间管理：软件定时器

原与通信：任务与任务之间的通信，类似于操作系统的消息队列

OSAL为什么会应用到Zigbee呢，因为它在资源非常少的硬件上，比如51单片机，可以跑一个操作系统的雏形，通过非常低成本的资源去实现一些复杂的功能。可以知道Zigbee-Stack的代码量非常多，这么多的功能和代码量，就是通过OSAL这样一个类操作系统来管理的。OSAL可以提供多任务的调度，任务间的通信，还包括时间管理。

任务的调度是通过一个单向链表来实现的。OSAL通过一个轮询的机制来实现一个类操作系统，没有抢占的概念。