Zigbee的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)介紹

Zigbee技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)近十多年。記得Zigbee出現(xiàn)初期，曾有一批公司以Zigbee應(yīng)用為創(chuàng)業(yè)方向。可以說至今Zigbee市場始終沒有紅火起來，不過隨著近年智能家居的應(yīng)用逐漸增多，Zigbee技術(shù)又時常會出現(xiàn)在我們眼前。與同樣是2.4GHz頻段的藍牙，Wi-Fi技術(shù)相比、Zigbee可以說是一個熟悉又陌生的技術(shù)。

圖1：Zigbee模塊與應(yīng)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)？

我們來看看Zigbee聯(lián)盟是如何回答這個問題的：Zigbee聯(lián)盟稱其為“唯一完整的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，具有mesh網(wǎng)絡(luò)和通用的語言，這使得智能設(shè)備可以協(xié)同工作”。這個回答夠簡單也夠直接。

Mesh網(wǎng)絡(luò)表示其具有動態(tài)自組網(wǎng)能力，對等網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以互連互通，每個節(jié)點都可以作為AP使用，從而實現(xiàn)動態(tài)路由，大幅提高網(wǎng)絡(luò)通信效率，適用于多設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。萬一某個AP節(jié)點故障，便可自動開辟新的傳輸路線，保證數(shù)據(jù)傳輸。通用的語言，應(yīng)該就是標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧，與藍牙、Wi-Fi產(chǎn)品一樣，不同供應(yīng)商按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議開發(fā)的產(chǎn)品可以互相組網(wǎng)工作。 以上兩點確實高度概括，初步指也是適合智能家居的應(yīng)用場景。據(jù)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(shè)備最低也要超過50個，一般的Wi-Fi AP難以管理如此多的設(shè)備。另外，這些設(shè)備多為傳感器應(yīng)用的簡易設(shè)備，自動組網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)故障自修復(fù)能力對其至關(guān)重要。智能家居設(shè)備品牌眾多，標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧也是不可或缺的。

mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)

除了以上高度概括的兩句話外，Zigbee的mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)如下。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分類構(gòu)成：

Coordinator（routing capable）--協(xié)調(diào)員

Router--路由器

End Device--終端設(shè)備

Zigbee Green Power Device--針對綠色能源應(yīng)用的Zigbee設(shè)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(guī)模：理論上支持65000個設(shè)備組網(wǎng)

無線技術(shù)：采用802.15.4標(biāo)準(zhǔn)

頻段：2.4GHz

帶寬及通道數(shù)量：2MHz/16通道

數(shù)據(jù)傳輸速率：250kbs

支持加密技術(shù)：AES-128

通信距離：

大于300米，室外無遮條件下

75--100米，室內(nèi)

低功耗：支持設(shè)備睡眠模式

由于智能家居設(shè)備有許多采用電池供電的傳感器設(shè)備，低功耗是不可回避的。Zigbee技術(shù)也是專門針對低功耗應(yīng)用的無線解決方案，其標(biāo)準(zhǔn)專門定義了設(shè)備睡眠模式。

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

Zigbee的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

接下來我們再了解一下Zigbee的協(xié)議棧，請看圖4：

圖4：Zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)（圖片來自Zigbee specification）

從圖4可以看出，協(xié)議層結(jié)構(gòu)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)訪問層），軟件層為Zigbee聯(lián)盟定義的NWK（網(wǎng)絡(luò)層）、APS（應(yīng)用程序支持層）、APL（應(yīng)用層）。對于Zigbee協(xié)議棧的使用者而言，無非就是利用協(xié)議棧實現(xiàn)Zigbee設(shè)備組網(wǎng)、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收功能。 智能家居開發(fā)工程師在采用Zigbee技術(shù)上一般可以通過以下兩種方式實現(xiàn)。

一為直接采用Zigbee模塊，模塊與系統(tǒng)控制MCU通信，將要組網(wǎng)和數(shù)據(jù)收發(fā)功能通過Zigbee模塊去實現(xiàn)。這樣做的優(yōu)點是系統(tǒng)開發(fā)周期短、技術(shù)難度小、回避射頻設(shè)計，缺點是成本高，體積大。

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