【智能家居】之 ZigBee 简介
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- 什么是 ZigBee" `3 ]6 r2 @7 S* l% _! ^
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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。1 E: y9 c$ p' J4 `9 K
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- ZigBee 与 IEEE 802.15.4 的关系: I: W6 s. g: B! n" U4 M
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。
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9 r0 r( o6 j% D5 u9 N - Zigbee 的特点
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(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! G7 a) k: m8 w
. R. O6 W5 B0 C! d1 [/ f( D - ZigBee 的设备类型、设备角色7 x: G0 i" |8 E, V! H& Q
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;
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+ ^, ~7 T& b7 }5 h7 @. l, W: V(3)Enddevice:一个FFD或RFD,参与ZigBee网络 。
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- ZigBee 的网络拓扑结构" {4 z. A, y/ v
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)。 * u5 _) o, v+ t& o8 t) Y
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5 U* I0 ]3 p+ G. U; r- ZigBee协议! N0 A+ R1 V; o" h! x, ?
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。
; t H' y; O+ u& vZigBee 协议 | 特点 |
0 E8 u7 p/ ~; V2 eZHA | 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。 | - H% z" |) G! Q+ L5 X. H, `
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。 |
8 x- d; s% m' n3 ?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。 |
$ j; F" z8 L5 R) o: PRF4CE | 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。 |
' b9 S& t; ~ |& l. |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。 | ( p7 b1 a8 q' x4 ?
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' O. h4 f4 r" \2 H8 t 2.什么是ZigBee 3.0- ZigBee 3.0 的由来
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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。
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- ZigBee 2.0 更新了什么
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(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。
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(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。
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(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)。9 [8 E$ E7 r" ^$ R
(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。/ v7 q$ T( w5 h6 L% h7 N' y
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- ZigBee 3.0 架构) v% F! M0 [# u+ A8 k; w
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)。
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- ZigBee 3.0 Trust Center Link Key 交换过程
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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。 % W8 |8 k4 Z. b
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。
" L/ q) m& n7 |" o" f【参考资料】: ① ZigBee新设备入网过程.pdf ② ZigBee3.0 安全探究.pdf " I0 r5 E9 b$ h0 N5 E3 U. D0 Y% b
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