zigbee怎么用？zigbee的應(yīng)用之ZigBee學習筆記

時間：2020-04-29 07:12:01

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[導讀] 作為一個硬件從業(yè)人員，雖然不是從事物理網(wǎng)行業(yè)的，但是多少得了解一些，以下是筆者最近學習Zigbee的筆記，包含了Zigbee基本知識，正確的學習方法。 Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)

作為一個硬件從業(yè)人員，雖然不是從事物理網(wǎng)行業(yè)的，但是多少得了解一些，以下是筆者最近學習Zigbee的筆記，包含了Zigbee基本知識，正確的學習方法。

Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)

先搞清楚IEEE802.15.4協(xié)議。

這個協(xié)議必須搞清楚，搞不定這個協(xié)議，Zigbee永遠吃不透。其實學習這個很簡單，如果學過TCP/ip的話，大家知道，我們要去掌握整個tcp/ip核心的話，我們要掌握以太網(wǎng)底層的一些協(xié)議，比如我們做驅(qū)動，我們做開發(fā)，如果說不懂的話，是沒有辦法做項目的，更直白一點，沒法在工作中去解決實際的問題。對于老板來說，老板招人過來，就是要解決問題的，如果沒有解決問題的能力，那在職場中是沒有競爭力的。

ZIGBEE是什么？

在傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)當中，大家耳熟能詳?shù)木褪莾煞N，藍牙和wifi。在物聯(lián)網(wǎng)的世界，也存在物與物之間存在信息溝通的橋梁，也是通過無線技術(shù)，最經(jīng)典的就是ZIGBEE技術(shù)，還有ZWAVE技術(shù)，不過ZWAVE在中國還是用得很少的。

為什么要引入zigbee呢？

有了Zigbee之后，全球才有了一個物聯(lián)網(wǎng)的概念，Zigbee號稱我們商用的第一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

到目前為止，無論是國內(nèi)還是全球，Zigbee是商用最多的，Zigbee做出來的產(chǎn)品是很多的，在國內(nèi)，最典型的Zigbee應(yīng)用是在智能家居領(lǐng)域，目前在國內(nèi)推出的只能家居，絕對是Zigbee，為什么呢？

zigbee出來比較早，大概是在03年，Zigbee整個協(xié)議的這個技術(shù)現(xiàn)在變得很成熟。真正可商用化的產(chǎn)品，一定會選一個成熟的技術(shù)方案。

Zigbee能夠干什么?

Zigbee主要用于構(gòu)建無線局域網(wǎng)，如果這個無線局域網(wǎng)用于傳感器的數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控，這個網(wǎng)絡(luò)就叫做無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN:Wirelss Sensor Network），是無線局域網(wǎng)的具體應(yīng)用。

Zigbee是屬于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一種。

圖中Sink node叫做集中器，負責整個Zigbee網(wǎng)絡(luò)的管理和接入的，同時還負責和外圍交互，可以和PC，互聯(lián)網(wǎng)進行連接。

單純的一個Zigbee是沒有實際的應(yīng)用場景的，現(xiàn)在使用的各種的物聯(lián)網(wǎng)終端，最起碼有一個app，需要用來觀看無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的信息，需要保證這個Sink node接入到我們的物聯(lián)網(wǎng)當中來。

Zigbee特點

低功耗：6個月-2年，為什么是一個比較大的范圍呢？任何一個低功耗的傳感網(wǎng)絡(luò)，首先需要問工作方式是什么，比如多長時間獲取一次數(shù)據(jù)，多長時間發(fā)送一次數(shù)據(jù)，才能得到具體的使用時間。

高可靠性：用tcp/ip來解釋，在tcp/ip協(xié)議中，有兩種經(jīng)典協(xié)議，TCP和UDP，一個是面向連接的，一個是無連接的，一個是可靠傳輸?shù)?，一個是不可靠傳輸?shù)?。無線連接本身存在不可靠性，zigbee針對這個做了一些高可靠性的機制。

低成本：開源，免專利費

碰撞避免機制，交互確認的機制，保證可靠通信

低延時：設(shè)備搜索時延30ms，休眠激活時延典型值是15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms

低數(shù)據(jù)量：Zigbee每個網(wǎng)絡(luò)模塊射頻前端的數(shù)據(jù)傳輸為250kbps

網(wǎng)絡(luò)容量大：Zigbee可以采用星形，樹形，網(wǎng)形的結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，而且可以通過任一節(jié)點組成更大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從理論上講，其可連接的節(jié)點多達65535個，其實就是一個16bit的數(shù)。實際應(yīng)用中并沒有這么多，實際受限于硬件資源。所謂的硬件資源就是芯片的ram，flash，是否能夠容納這么多的節(jié)點，是否能夠管理。

高保密性：Zigbee提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢驗和鑒權(quán)的功能，加密算法采用AES-128，同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。----所有的無線傳輸，都是通過一個射頻的物理通道，任何人都可以利用zigbee協(xié)議開放特性，通過射頻芯片發(fā)送數(shù)據(jù)包。但是與互聯(lián)網(wǎng)一樣，我們訪問網(wǎng)站的時候，為什么要用https，是因為安全機制，個人網(wǎng)絡(luò)不希望被人攻擊，這個時候需要考慮網(wǎng)絡(luò)的健壯性，保密性。Zigbee采用AES-128，并需要硬件支持

全球的通用性和完好的開發(fā)性：由于Zigbee標準協(xié)議，因此不同廠家芯片利用Zigbee通信將是輕而易舉的事情。如ti的方案，恩智浦的方案，只要都滿足Zigbee，互相通信將不是問題。

Zigbee學習模式

單片機+Zigbee=學習模式

只花20%的實際學習單片機的外設(shè)，編程。要花80%的時間放在Zigbee協(xié)議棧。只有這樣才能用Zigbee來做項目，但是很多書籍都是大篇介紹單片機的使用，各種外設(shè)的使用。

學Zigbee其實學的是網(wǎng)絡(luò)編程。Zigbee的代碼量其實是挺大的，不要一上來就分析代碼，要明白整個協(xié)議的設(shè)計，才能明白代碼，才能讀懂代碼。

抓包分析：如果沒有抓包能力，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就沒法知道是上面什么意思，當網(wǎng)絡(luò)不通的時候就沒法分析。如果掌握抓包能力，發(fā)的任何信息都能知道是上面意思，這樣才能把Zigbee掌握透徹。

Zigbee聯(lián)盟

Zigbee協(xié)議標準的一個協(xié)會。

Zigbee硬件平臺

TI，Jennic，Silicon Labs

不同廠家都有自己硬件上的芯片，都有自己軟件的協(xié)議棧。

Zigbee協(xié)議棧

Zigbee協(xié)議實現(xiàn)的代碼庫

Zigbee協(xié)議棧，有一個分層的概念。不管是軟件還是硬件項目，達到一定規(guī)模之后，都要進行分層，不分層的話，項目的管理，可擴展性等等效率問題解決不了。

Zigbee分層

最下面是IEEE802.15.4是一個標準，它規(guī)定了協(xié)議的物理層和MAC層，再上面是Zigbee的網(wǎng)絡(luò)層Zigbee NWK（network）和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層又分很多模塊，為什么呢？

首先網(wǎng)絡(luò)分層以后，要有加密特性（Security），再往上是一個Zigbee應(yīng)用支持的子層，在網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間又開辟了一個子層（Zigbee ApplicaTIon Support Subplayer（APS））這個層起到承上啟下的作用。承上指的是給整個Zigbee應(yīng)用的框架。

Zigbee會根據(jù)不同的場景（ApplicaTIon Object），比如智能家居，能源，工業(yè)等等不同的場景，有一個庫的概念。

針對設(shè)備終端的管理，又有單獨的一個層，Zigbee Device object。

學習Zigbee就是學些Zigbee層與層之間的實現(xiàn)，或者說掌握層與層之間的交互，只有把各個功能模塊之間了解清楚，Zigbee才有可能吃透。

IEEE802.15.4協(xié)議

Zigbee學習第一個要搞明白的就是Zigbee的物理層和Mac層，為什么呢？我們學習單片機，其實就是和硬件打交道，Zigbee通訊也是建立在硬件的基礎(chǔ)之上的，硬件基礎(chǔ)指的就是射頻，要搞清楚這個無線射頻到底是怎么來通訊的。如果說底層搞不清的話，應(yīng)用層也是很難理解，因為它很抽象。-----所以說要搞清楚802.15.4這個協(xié)議。

Zigbee是由Zigbee聯(lián)盟所主導的標準，定義了網(wǎng)絡(luò)層，安全層和應(yīng)用層，以及各種應(yīng)用的產(chǎn)品架構(gòu)；而由IEEE所制定的802.15.4標準，則是定義了物理和MAC層。

Zigbee協(xié)議，Zibgee聯(lián)盟和IEEE組織都參與制定。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)分層

下面是MAC層和PHY層，其實幾個網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都差不多，只是底層的實現(xiàn)不同。

比如wifi，wifi為什么能跑TCP/IP協(xié)議，wifi的物理層和以太網(wǎng)的物理層是完全不同的，如果沒有把MAC和物理層分層的話，wifi是沒有辦法很容易的跑TCP/IP協(xié)議的。有了分層，我們就可以把以太網(wǎng)協(xié)議移植到射頻里面來。

物理層頻帶參數(shù)

三個頻段，國內(nèi)用得最多是2.4Ghz-2.4835Ghz，在2.4G劃分了16個信道（信道11到信道26），信道與信道的帶寬是5Mhz，信道與wifi信道有交叉（如果應(yīng)用中信號通訊不穩(wěn)定，可以看下使用的信道是否和wifi相同，被占用比較多）

868MHZ--美國

915MHZ--歐洲

把數(shù)字信號變成一個射頻信號，涉及到調(diào)制，調(diào)整方式為FSK（頻移鍵控），通過頻率的變化來表示我們的0，1信號，把數(shù)字信號變?yōu)槟M信號。

物理幀格式

前導碼（4字節(jié)）：用于符合同步。