【物联网之·协议·ZigBee】

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前言

  随着物联网的快速发展和智能家居的普及，Zigbee 技术作为一种低功耗、低成本的无线通信技术，被广泛应用于智能家居、工业自动化、安全监控等领域。

  本博客将为您提供 Zigbee 技术的基础知识，包括其工作原理、网络拓扑、通信协议等方面的内容。我们将从简单的概念开始，逐步深入理解 Zigbee 技术的工作原理和特点。无论您是初学者还是有一定基础的开发者，本博客都将为您提供清晰的解释和示例，帮助您快速入门 Zigbee 技术。

  除了基础知识，我们还将介绍 Zigbee 技术在物联网应用中的具体应用案例。这些案例将涉及智能家居、工业自动化、安全监控等不同领域，通过实际案例的解析，您将更好地了解 Zigbee 在物联网中的实际应用，并掌握如何利用 Zigbee 技术构建自己的物联网项目。

一、ZigBee技术概述

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

1.1 ZigBee的起源和发展历程

• 起源：

  在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必需是高可靠的，并能抵抗工业现 场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年中正式问世了。另外，ZigBee使用了在它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议Home RF Lite。

• 发展历程

  主要由Honeywell公司组成的ZigBee Alliance制定，从1998年开始发展，于2001年向电机电子工程师学会（IEEE）提案纳入IEEE 802.15.4标准规范之中，自此将ZigBee技术渐渐成为各业界共同通用的低速短距无线通讯技术之一。

1.2 ZigBee的工作原理和网络拓扑结构

• 网络拓扑： ZigBee网络采用星型、网状或混合的无线网络拓扑结构。其中，星型拓扑结构由一个集中式的协调器和多个终端设备组成，终端设备通过协调器进行通信。网状拓扑结构中，每个设备都可以直接与其他设备通信，无需通过协调器。

• 工作原理： Zigbee的工作原理是基于无线传感器网络（WSN）的概念。WSN是由多个传感器节点组成的网络，这些节点可以采集和传输各种环境数据。在Zigbee网络中，设备可以分为三类：协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端设备（End Device）。协调器是网络的主节点，负责网络的组建和管理；路由器负责路由数据包，终端设备是最简单的节点，通常用于传感器等低功耗设备。

1.3 ZigBee的应用领域和主要优势

（1）低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6-24个月，甚至更长。

（2）低速率：ZigBee工作在10-250kbps的通讯速率。

（3）近距离：传输范围一般介于50～300m之间，在增加RF发射功率后，可增加到1-3km，视具体环境而定。

（4）短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3-10s、WiFi需要3s;

（5）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;

（6）高安全：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性;

（7）工作频段：868.3MHz、902-928MHz、2405-2480MHz频段。

二、ZigBee协议栈

2.1 Zigbee的协议栈结构和各层功能

• 应用层： 提供了高级的应用功能，包括设备发现、设备关联、网络管理、安全等。它使用了Zigbee Cluster Library (ZCL) 来定义不同类型的应用功能。应用层协议还定义了设备间的通信模式，包括点对点通信、广播通信和组播通信。

• 网络层： 主要负责无线网络的建立和维护。它定义了网络拓扑结构，包括协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端设备（End Device）。网络层协议可以选择使用星型拓扑结构、网状拓扑结构或混合拓扑结构。网络层还负责路由选择、数据包传输和设备入网等功能。

• 物理层： 物理层负责无线信号的传输和接收，包括频率选择、调制解调和信号处理等。

• 介质访问控制（MAC）层： MAC层负责协调设备的访问无线介质，包括数据收发的调度和时隙管理等。

2.2 Zigbee协议栈的协议消息和数据格式

Zigbee帧格式： Zigbee使用基于IEEE 802.15.4的帧格式来传输数据。一个Zigbee帧通常包含帧控制字段、目标地址字段、源地址字段、帧序列号字段、协议数据单元（PDU）字段和可选的帧校验序列字段。

Zigbee网络层消息格式： Zigbee网络层使用一些特定的消息来管理网络拓扑、路由选择和数据传输。这些消息包括路由请求消息、路由响应消息、路由错误消息、数据请求消息、数据响应消息等。

Zigbee应用层消息格式： Zigbee应用层使用应用层消息封装应用数据，以便在节点之间进行传输。应用层消息包含应用层数据单元（APDU），用来表示特定应用的数据。APDU可以是命令型的（用于发送命令）或响应型的（用于发送响应）。

Zigbee簇和簇命令： Zigbee定义了一些簇，每个簇代表某个特定功能或应用。簇可以包含多个簇命令，每个簇命令代表一个特定的功能或操作。簇命令用于在节点之间传递特定的功能指令或操作指令。

Zigbee设备描述符和簇描述符： Zigbee设备描述符和簇描述符用于描述Zigbee设备的功能和属性。设备描述符包含设备的厂商标识符、设备类型、设备版本等信息。簇描述符包含簇的标识符、输入簇命令列表、输出簇命令列表等信息。这些描述符在Zigbee网络中用于描述设备和簇的特性和功能。

三、ZigBee网络配置

3.1 Zigbee网络的组网过程和网络配置选项

• 组网过程：

  • 协调器（coordinator）的选择： 在Zigbee网络中，一个协调器负责管理整个网络。通常情况下，协调器由主设备或者网络管理员选择并配置。

  • 网络的创建和配置： 协调器创建一个新的Zigbee网络，并配置网络参数，例如网络ID、信道等。

  • 设备的入网： 其他设备（节点）可以向协调器发送加入网络的请求。协调器可以接受或拒绝请求，并根据需要分配网络地址给设备。

  • 网络的建立： 一旦设备成功加入网络，它们可以通过路由器节点与其他设备进行通信。路由器节点负责转发数据包，保证网络的连通性。

• 网络配置选项：

  • 网络拓扑结构： Zigbee网络支持多种拓扑结构，如星型、网状、混合型等。网络管理员可以根据应用需求选择最适合的拓扑结构。

  • 网络参数配置： 网络管理员可以配置网络ID、信道等参数，以确保网络的安全性和性能。

  • 安全设置： Zigbee网络提供了多种安全机制，如密钥管理、加密等，以保护网络中的数据安全。网络管理员可以配置安全参数，例如密钥类型、密钥长度等。

  • 路由配置： Zigbee网络中的路由器节点负责数据包的转发。网络管理员可以配置路由节点的选择策略、路由表更新频率等参数，以优化网络的传输效率。

3.2 主节点和从节点的角色和功能

• 主节点（协调器）的角色和功能：

  • 网络管理： 主节点负责创建和管理整个Zigbee网络。它具有最高的权限和控制权，可以配置网络参数、管理入网设备、分配网络地址等。

  • 路由器功能： 主节点充当网络中的路由器节点，负责转发数据包和维护路由表。它可以将数据包从一个设备转发到另一个设备，保证网络的连通性。

  • 安全管理： 主节点负责管理和实施网络的安全机制，例如密钥管理和加密。它可以分配密钥给其他设备，确保通信的安全性。

  • 数据集中与处理： 主节点可以接收来自从节点的数据，并进行集中存储和处理。它可以与其他主节点或云平台进行通信，实现数据的分析和管理。

• 从节点（终端设备）的角色和功能：

  • 加入网络： 从节点通过发送加入网络请求来加入Zigbee网络。它通过主节点的允许，并分配一个唯一的网络地址。

  • 数据采集和传输： 从节点可以采集传感器数据或执行某些任务，并将数据传输到主节点或其他设备。它可以通过路由器节点转发数据包以实现网络通信。

  • 节能功能： 从节点通常被设计为低功耗设备，具有节能功能。它可以在闲置时进入休眠状态以延长电池寿命，只在需要时唤醒以进行通信。

  • 安全通信： 从节点可以与其他设备进行安全通信，使用主节点提供的密钥进行加密和解密。

3.3 网络拓扑结构选项

• 星型拓扑结构（Star Topology）： 这是最常见的Zigbee网络拓扑结构。主节点位于网络中心，从节点直接连接到主节点。主节点负责管理整个网络，从节点只能与主节点通信。这种结构适用于简单的网络，并且具有较低的延迟和高可靠性。

• 树状拓扑结构（Tree Topology）： 这种结构中，主节点作为根节点，多个从节点连接到主节点，并且从节点之间可以相互连接。主节点和从节点之间的连接可以通过中间节点进行转发。这种结构适用于具有层次结构的网络，可以扩展到更大的规模。

• 网状拓扑结构（Mesh Topology）： 这种结构中，所有的设备都可以相互连接，形成一个无线网状网络。每个设备都可以作为路由器，将数据包转发给其他设备。这种结构具有较高的可扩展性和灵活性，适用于大规模、复杂的网络场景。

• 混合拓扑结构（Hybrid Topology）： 这是一种将不同的拓扑结构组合在一起的方法。例如，可以将星型结构用于主要通信，而使用网状结构作为备用路径。这种结构可以在满足不同需求的情况下提供更好的性能和可靠性。

选择适合的网络拓扑结构取决于具体的应用需求，包括网络规模、通信距离、设备功耗、可靠性要求等。

四、ZigBee应用案例

4.1 路灯

• 路灯开关控制
• 路灯电能采集，电流，电压
• 其他开关量检测，模拟量检测

4.2 井下人员定位

• 人员位置定位，定位精度1-3m

4.3 智能家居

• 灯光开关，灯光亮度调节
• 温湿度检测模拟量数据传输
• 开关量检测

4.4 农业检测

• 温湿度
• 远程控制开关

五、ZigBee安全性

5.1 Zigbee的安全性和加密机制

引用安全控制（APS Link Key Security）： 通过使用密钥进行身份验证和数据加密，确保只有经过授权的设备可以加入网络并进行通信。每个设备都有一个独特的网络密钥，用于加密和解密通信数据。

数据包加密（AES-128）： Zigbee使用AES-128位加密算法来保护通信数据的机密性。使用共享密钥对传输的数据进行加密和解密，防止未经授权的设备窃取和篡改数据。

安全重放攻击保护（Message Counter）： 每个传输的数据包都有一个唯一的消息计数器值，用于防止重放攻击。接收设备会检查消息计数器的值，如果收到的消息计数器值小于之前接收的最大值，将拒绝接收该数据包。

5.2 如何保护Zigbee网络免受攻击

安全密钥管理（Key Establishment）： Zigbee网络使用密钥建立协议来安全地分配和更新网络密钥。这些协议确保只有经过授权的设备才能获取密钥，并且可以随时更新密钥以提高网络安全性。

安全区域（Network Partitioning）： Zigbee允许将网络划分为不同的安全区域，每个安全区域都有独立的网络密钥和安全策略。这样可以在不同的设备群组之间建立隔离，提高整体网络的安全性。

通过以上安全性和加密机制，Zigbee网络可以提供较高的安全级别，防止未经授权的设备访问和干扰网络通信。

六、未来发展趋势

6.1 Zigbee技术的未来发展趋势和应用前景

高级网络拓扑结构： 目前，Zigbee网络主要采用星型和网状拓扑结构。未来，随着技术的进步，可以预期出现更复杂和高级的网络拓扑结构，例如树状、蜂窝状等。这将增加网络的覆盖范围和可靠性，并支持更广泛的应用场景。

更强大的通信能力： 未来的Zigbee设备可能具备更高的通信能力，包括更大的带宽和更快的数据传输速度。这将有助于处理更复杂的数据和应用场景，例如高清视频传输、音频流媒体等。

跨平台互操作性： Zigbee技术将与其他物联网标准和技术进行更好的互操作性，以实现不同设备和平台之间的数据共享和通信。这将推动物联网生态系统的发展，促进各种设备和应用之间的无缝集成。

更广泛的应用领域： 当前，Zigbee技术主要应用于家庭自动化、楼宇自动化、智能仪表和工业控制等领域。未来，随着技术的发展和普及，可以预期Zigbee技术在更广泛的应用领域得到应用，例如智能城市、智能农业、智能交通等。

能源效率和可持续发展： Zigbee技术具有低功耗和能源效率的特点，这使得它在能源管理和可持续发展方面具有广泛的应用前景。例如，Zigbee可以用于智能能源监测和控制系统，将能源消耗优化和节约。

6.2 Zigbee与其他无线技术的关系和竞争优势

• 无线通信： ZigBee使用IEEE 802.15.4无线通信协议，在2.4 GHz、900 MHz和868 MHz等频段进行通信。它采用低功耗的通信方式，使得设备可以长时间运行，适用于低功耗的物联网应用。

• 网络协议： ZigBee采用分层的网络协议，包括物理层、介质访问层、网络层和应用层。物理层负责无线信号的传输和接收，介质访问层定义了数据帧的格式和传输方式，网络层负责路由和转发数据，应用层提供应用程序接口供开发人员使用。

• 省电模式： ZigBee设备可以通过进入睡眠模式来降低功耗。在睡眠模式下，设备会关闭无线模块，只在需要通信时才开启。这种省电模式使得ZigBee设备可以长时间运行，适用于电池供电的应用场景。

• 自组网： ZigBee设备可以自动组建和重组网络。当设备加入或离开网络时，网络能自动调整和优化路由，保持网络的稳定性和可靠性。

七、附录

• 相关术语
  • AF – Application Framework(应用层框架)。
  • APL – Application Layer（应用层）。
  • APS – Application Support sublayer(应用支撑层)。
  • MAC – Medium Access Control layer（媒体访问控制层）。
  • NIB – Network Information Base（网络资讯库）
  • NWK – Network layer(网络层)。
  • PHY – Physical layer（实体层）。
  • WPAN – Wireless Personal Area Network。为IEEE 802.15族系所规范的一系列无线个人区网标准。
  • ZC – ZigBee Coordinator(ZigBee协调员)。
  • ZDO – ZigBee Device Object(ZigBee设备对象)。
  • ZED – ZigBee End Device(ZigBee终端设备)。
  • ZR – ZigBee Router(ZigBee路由)。

总结

学习Zigbee技术是现代通信领域的一项重要任务，它对于构建智能家居、工业自动化以及物联网等领域至关重要。学习Zigbee技术需要掌握其基本概念、工作原理以及应用场景。了解Zigbee的网络拓扑结构、通信协议以及安全机制也是必不可少的。掌握这些知识将有助于我们在智能家居、工业自动化和物联网等领域中应用Zigbee技术，构建更加智能和便捷的系统。希望这篇博客总结能给读者提供一个入门指南，帮助大家更好地学习和应用Zigbee技术。

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