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ZigBee协议简介

2021-1-11 21:39| 发布者: admin| 查看: 3| 评论: 5|原作者: 鸣涧_GC96O

摘要: ZigBee协议简介(一) 今天来讲讲久违的ZigBee ZigBee的名字源自蜜蜂八字舞,蜜蜂(Bee)依靠嗡嗡(Zip)和同伴传递方位信息,依靠同伴接力形成通信网络。ZigBee的网络层可以说就是通过这个来定义的。从上图我们可以 ...
ZigBee协议简介(一)


今天来讲讲久违的ZigBee

ZigBee的名字源自蜜蜂八字舞,蜜蜂(Bee)依靠嗡嗡(Zip)和同伴传递方位信息,依靠同伴接力形成通信网络。ZigBee的网络层可以说就是通过这个来定义的。

从上图我们可以看见,其实IEEE只确定了ZigBee的物理层和MAC层,就是只定义了物理通信上要用到的通信协议和通信频段。剩下的都是由ZigBee联盟来确定的。我们由下图来详解一下

物理层(PHY)规定了什么
  • 频段:868MHz(欧洲),915MHz(美国),2495MHz(Global)使用直接序列扩频(DSSS)
  • 信道:27个,分别分为:868MHz(k=0),915MHz(k=1-10),2495MHz(k=11-26)
  • 速度:868MHz(20kb),915MHz(40kb),2495MHz(250kb+)
  • 物理层协议数据单元(PHY Protocol Data Unit ,PPDU ) 分为同步头,物理帧头和物理帧负载(PSDU)
能用来干嘛
  • 激活和休眠射频收发器
  • 信道能量检测
  • 检测接收数据包的链路质量指示(Link Quality Indication ,LQI)
  • 空闲信道评估(Clear Channel Assessment ,CCA)
  • 收发数据

在概念上,物理层的收发数据还包括了数据服务和管理(维护)服务,和MAC层分别的接口叫做物理层数据服务接入点(PHY Data - Service Access Point , PD-SAP)和物理层管理实体服务接入点(PHY Data - Service Access Point , PD-SAP)和物理层管理实体服务接入点(Physical Layer Management Entity Service Access Point , PLME-SAP)

MAC层(媒体接入控制层)规定了什么
  • 规定了4种帧结构:信标帧

    数据帧

    确认帧

    和MAC命令帧

详见[MAC协议层详解](https://www.cnblogs.com/hzl6255/p/9846764.html)

  • 使用CSMA-CA机制访问物理信道
  • 如果设备是协调器,需要产生网络信标
  • 支持时槽保障(Guaranteed Time Slot ,GTS)机制
能用来干嘛
  • 协调器产生并发送信标,普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步
  • 保证信道的通信安全
  • 支持PAN(个域网络)的关联和取消关联

概念上,MAC层也像物理层一样具有MAC层管理实体(MLME),他和网络层之间的数据交换便是(MLME-SAP),当然在MLME中,交换的是管理MAC层信息。在MAC层还有一个MAC公共部分子层(MCPS)来与网络层进行数据交换(MCPS-SAP)

网络层

网络层负责拓扑结构的建立和维护,命名和绑定服务,从而协同地完成寻址,路由,传送数据以及安全等不可或缺的任务,所以网络层是ZigBee的核心部分。

组网拓扑结构

在ZigBee中有三种角色-协调器,路由器和末端节点,分别对应着蜂群的蜂后,雄峰和工蜂。协调器在MAC层就已经提及过了,用来提供整个网络的同步问题(不进行数据交换,和蜂群一般)。而路由器则负责联系自己周围的末端节点,并协调他们进行通信。

ZigBee中支持星状,树状和网状的拓扑结构,这个可以在硬件中直接设置。
ZigBee网络架构详解



鲜花

握手

雷人

路过

鸡蛋
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最新评论

鸣涧_GC96O 2021-1-11 16:33
网络层规范

正如物理层和MAC层,我们可以看到整个ZigBee的协议中在每一层都存在数据实体和管理实体,在网络层也不例外。ZigBee协议的网络层划分为网络层数据实体(Network Layer Data Entity , NLDE)和网络层管理实体(Network Layer Manage Entity ,NLME)都还有相关的数据交换(管理)的SAP服务。

正如其名,他们相关的功能如下:
NLDE:

  • 产生网络层协议数据单元(NPDU)
  • 提供基于拓扑结构的路由策略

NLME:

  • 配置新设备
  • 建立网络
  • 加入和离开网络
  • 寻址
  • 邻居发现
  • 路由发现
  • 接受控制

对应地,他们也对应着网络层的两种帧结构:数据帧和命令帧。因为这是课堂上做的,找图不太方便,还请大家自己找图了解。

能用来干嘛
  • 通过添加不同的协议头能够从应用层生产网络层的PDU,即NPDU
  • 确定网络的拓扑结构
  • 配置一个新的设备,可以是拓扑结构中的各个角色
  • 建立并启动网络
  • 加入或离开网络
  • ZigBee的协调器和路由器能为加入网络的设备分配空间
  • 发现并记录邻居表,路由表
  • 信息的接受控制,同步MAC子层或直接接收信息
应用层

ZigBee应用层有三个组成部分:应用支持子层(Application Support Sub-Layer,APS),应用框架(Application Framework ,AF)和ZigBee设备对象(ZigBee Device Object ,ZDO)

应用支持子层APS

跟之前提的一样,APS子层包含,APS数据实体(APSDE)和相应的服务接入点(APSDE-SAP)还有APS管理实体(APSME)和相应的服务接入点(APSME-SAP)。APS主要是用来应用层和网络层的接口用的,APSDE提供在同一网络应用实体之间的数据传输机制,APSME提供多种服务给应用对象。

应用框架AF

在ZigBee应用中,AF提供了两种标准服务类型。一种是键值对(Key Valve Pair ,KVP)和报文(mesage,MSG)。相应地里面还涉及到较多的属性,我们在Z-stack中再继续介绍

ZigBee设备对象ZDO

其实就是高度抽象的网络端点,主要功能集中在网络管理和维护上,里面包含了整个端点,网络的全部信息可供查询。

硬件平台TI-CC2530
  • 劳烦自查百度及datasheet,不背书
  • 硬件资源可见下图


                               
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Z-Stack

显然,Z-stack是TI公司开放的ZigBee协议栈,那么现在问题来了,这么好的协议栈,要怎么来使用呢?
这里先放一张好图,详情且听下回分解


                               
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总结

写得不是很深入,后面会写代码的时候我们再来,在刀锋上认识ZigBee


鸣涧_GC96O 2021-1-11 17:29
本帖最后由 鸣涧_GC96O 于 2021-1-11 20:11 编辑

ZigBee发展历程:


序号
时间
标准
特性
1
2003年
ZigBee问世
-
2
2004年
ZigBee 1.0(ZigBee 2004)
只能支持少量节点,星状拓扑,几乎没有什么实际应用
3
2006年
ZigBee 2006
面向住宅环境,支持树状和网状拓扑,可容纳300个以内节点,完全满足住宅自动化的组网需求
4
2007年
ZigBee 2007
面向商业和工业环境,可支持1000个节点,且有更好的安全性
5
2012年
ZigBee 2007
-
6
2015年
Zigbee PRO 2015
-
7
2016年5月
ZigBee 3.0
统一众多应用层协议,解决了不同厂商Zigbee设备之间的互联互通问题


鸣涧_GC96O 2021-1-11 17:44
Mesh网络 拓扑结构
(1)网状拓扑结构,也被称为 点到点,是由互联的路由器和终端设备组成的一个网状结构。每个路由器通常至少通过两个路径来连接,并且可以为它的邻居转发消息。
(2)网状拓扑结构支持 多跳 通信,这些数据通过跳跃从一个设备到另一个设备,使用 最可靠的通信联系 和 最符合成本效益 的路径,直到到达它的目的地。这种多跳能力也帮助提供 容错能力,如果一台设备失败或者经历冲突,该网络可以使用剩下的设备 重新路由 它自己。

优点:

序号        描述
1        Mesh拓扑结构 具有高可靠性和稳定性。
任何独立路由器可能变得不可用,替换路由可以被发现和使用。
2        利用 中间设备 来转发数据,即 网络范围 可以被明显增加,使 Mesh网络 可高度拓展。
3        通过添加更多的路由器到网络中,可以消除弱信号和死区。
鸣涧_GC96O 2021-1-11 17:46
ZigBee 安全
认证中心 决定是否允许或不允许新的设备加入它的网络。
认证中心 可周期性地更新并切换到一个新的 网络密钥。
认证中心 通常是 协调器,负责如下安全:

序号        设备        描述
1        认证管理        验证设备加入网络的请求
2        网络管理        维持并发布网络密钥
3        配置管理        使能设备间端到端的安全
鸣涧_GC96O 2021-1-11 20:11
Zigbee 协议架构

SAP:服务接入点,Service Access Point

具体的分层架构:

  • PHY:物理层
  • MAC:媒体访问控制层
  • NWK:网络层
  • API:应用层,有三个组成:

    • APS:应用支持子层, Application Support Sub Layer
    • ZDO:设备对象, Zigbee Device Object
    • AF:应用程序框架,Application Framework


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