【智能家居】之 ZigBee 简介

鸣涧

【智能家居】之 ZigBee 简介

• 什么是 ZigBee
  

ZigBee技术是一种新兴的短距离、低功耗、低复杂度.高可靠的无线数传网络技术。随着我国物联网正进入迅速发展期，ZigBee也正逐步被越来越多的用户接受，它主要针对低传输速率、低功耗方向的射频应用，适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备，如室内环境的距离测量、无线开关控制照明以及小范围的消费电子产品等。

• ZigBee 与 IEEE 802.15.4 的关系
  

ZigBee 自下而上可分为：物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、网络层（NWK）、安全层、应用层（APL），其中物理层与媒体访问控制层是由 IEEE 802.15.4 标准所定义的，网络层、安全层、应用层的协议标准是由 ZigBee 联盟定义的，因此 ZigBee 是一种基于 IEEE 802.15.4 标准的低功耗无线局域网。

• Zigbee 的特点
  

（1）低功耗：在低功耗待机模式下，两节 5 号干电池可支持一个节点工作 6 ~ 24 个月；

（2）低成本：通过大幅度简化协议（不到蓝牙的 1/10），降低了对控制器的要求；

（3）低速率：工作在 20 ~ 250 kbps 的速率，分别提供 250 kbps（2.4 GHZ）、40 kbps（915 MHZ）和 20 kbps（868 MHZ）的原始数据吞吐率，满足低速率传输的应用要求；

（4）近距离：传输范围一般介于10 ~ 100 m，在增加发射功率后，可增加 1 ~ 3 km，当然这是指相邻节点之间的距离，如果通过路由和节点间的通信接力，可以更大的增加传输距离；

（5）短时延：ZigBee 的响应速度较快，从睡眠唤醒到工作状态只需 15 ms，节点连接入网只需 30 ms；

（6）高容量：ZigBee 可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理 254 个子节点;同时主节点还可由，上一层网络节点管理，最多可组成 65000 个节点的大网；此外 ZigBee 还具有较高的安全性

• ZigBee 的设备类型、设备角色
  

设备类型 ：全功能设备（FDD）和半功能设备（RFD）

（1）FDD ：可执行 IEEE 802.15.4 标准所描述的所有功能，可用作网络中的任意角色；

（2）RFD ：只有 IEEE 802.15.4 标准所描述的部分功能，只能与 FFD 设备通信；

设备角色：Coordinator 、Router 、Enddevice

（1）Coordinator ：是一个 FDD ，个人区域网络的控制器，网络的发起者；

（2）Router ：是一个 FDD ，能为信息在设备之间寻找路由，支持连接；

（3）Enddevice：一个FFD或RFD，参与ZigBee网络 。

• ZigBee 的网络拓扑结构
  

ZigBee 协议标准中定义了三种网络拓扑结构，分别是：星形拓扑（Star）、树形拓扑（Tree）和网状拓扑（Mesh）。

• ZigBee协议
  

ZigBee 协议按兼容性平台可分为 ：ZigBee PRO 、RF4CE 、ZigBee IP

（1）ZigBee PRO ：Zigbee PRO Home Automation（ZHA）、Zigbee PRO Zigbee Light Link（ZLL）、          Zigbee PRO Smart Energy（ZSE）。

（2）RF4CE ： 新一代家电遥控解标准和协议。

（3）ZigBee IP ：基于 IPv6 的全无线筛形网络协议。

ZigBee 协议	特点
ZHA	当用户安装新设备时，所有设备都会加入同一网络开关控制； 可以通过 Internet 控制负载； 可以通过 Internet 显示负载数据； 为多负载控制提供方便。
ZLL	独立的照明控制系统，支持遥控和多个灯控制； 使用 ZigBee RRO 网状网络； 调试过程简单，有强大的彩灯控制。
ZSE	加入网络前所有设备需要通过注册服务器； 服务器管理负载； 收费可以实时和准确的提供； 客户可以选择加入或退出。
RF4CE	专门针对电子控制领域和远程控制的产品； 由 ZigBee 联盟和 RF4CE 联盟联合制定； 灵活的传输选择和节电机制。
ZigBee IP	基于 ZigBee PRO 为基础，可适用于互联网； 迁移到 IPv6 ； 灵活的传输选择和节电机制。

     2.什么是ZigBee 3.0

• ZigBee 3.0 的由来
  

ZigBee 联盟在 16 年的 3 月底正式发布 ZigBee3.0 协议，原因主要如下：

（1）由于 供应商 / Profiles 不一致，所以在 配对 / 发现 / 正常操作的时候缺乏互操作性；

（2）在休眠时没有去定制睡眠机制来维护休眠设备；

（3）入网时使用公版密钥存在安全漏洞；

（4）缺少一个共通的规则来促进紧密的方案开发。

• ZigBee 2.0 更新了什么
  

（1）一个新的内核堆栈（修订版 21）规范的整理和删除不必要的特性（NWK 多播、主密钥、高安全性、终端设备绑定服务器等）；

• 提供新的睡眠机制，替代之前由 供应商/应用程序 来实现的特性；
• 使用 Trust Center Link Key 来作为网络密钥增加安全性；
• 保持完全向后兼容性，不会使用之前 ZigBee 联盟协议已经开发完的设备不兼容。
  

（2）基础设备的行为（Based Device Behavior）；

• 简化了网络的配对和发现流程；
• 允许网络的多协议。
  

（3）ZLO（ZigBee Lighting  and Occupancy）；

• 把 ZHA/ZLL 的 Clusters 和属性定义结合在一起；
• 完整的 Profiles 包括 ZHA、ZLL、ZBA、ZRS（ZigBee Retail Services）、ZHC（ZigBee Health Care）、ZTS（ZigBee Telecommunication Services）。
  

（4）ZSE 使用了较高的安全算法来管理一个智能电网，这个级别的安全性将会

     被集成在 ZigBee3.0 成为一个可选的特性，另外 RF4CE 因为与 ZigBee3.0

     只有相同的 MAC 层，在之上的层级不同，所以没有整合起来。

• ZigBee 3.0 架构
  

体系结构从下到上依次为：物理层（PHY）、MAC 子层、网络层（NWK）、应用层（APL）。

在 ZigBee 协议栈架构中，安全是一个非常重要的关注点。Standard Security 是所有的 ZigBee 应用规范都使用的安全模型，包括 ZigBee3.0。Standard Security 分别使用 Network Key 和 Link Key 在网络层和 APS 层加密数据。APS 层安全允许 Trust Center 来安全传输 Network Key 给加入节 点或拒绝节点加入，并且它允许应用来增加可选的安全加密消息。网络层安全用来保证所有的 ZigBee 网络中发送消息的安全性。Standard Security 不包括 MAC 层的通信（比如 association，数据请求 polling，MAC ACKs）。

• ZigBee 3.0 Trust Center Link Key 交换过程
  

ZigBee 3.0 设备成功加入网络后，设备需要请求更新的 Trust Center Link Key 以替换它们现有的 Preconfigured Link Key。即使使用 Installation code 的备，也将替换成新的 Trust Center Link Key。下图说明了 ZigBee 3.0 设备如何更新 Trust Center Link Key。

ZigBee 已经成为低功耗、低数据传输率无线网络的领先标准之一。ZigBee 3.0 在现有 ZigBee 标准的基础上构建，旨在帮助最终用户更加轻松地选择、设置和操作产品。到此，相信大家对 ZigBee 技术已经有了一个大致的概念已经结束，下一个章程会给大家带来关于 NXP ZigBee 3.0 的技术介绍，欢迎大家继续关注。

【参考资料】：

  ① ZigBee新设备入网过程.pdf

  ② ZigBee3.0 安全探究.pdf

  ③ CSDN: https://blog.csdn.net/zhengyachen2018/article/details/81204669