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

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，最經(jīng)典的就是ZIGBEE技術，還有ZWAVE技術，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。

到目前為止，無論是國內還是全球，Zigbee是商用最多的，Zigbee做出來的產品是很多的，在國內，最典型的Zigbee應用是在智能家居領域，目前在國內推出的只能家居，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)議的這個技術現(xiàn)在變得很成熟。真正可商用化的產品，一定會選一個成熟的技術方案。

Zigbee能夠干什么?

Zigbee主要用于構建無線局域網(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)絡就叫做無線傳感器網(wǎng)絡（WSN:Wirelss Sensor Network），是無線局域網(wǎng)的具體應用。

Zigbee是屬于無線傳感網(wǎng)絡的一種。

圖中Sink node叫做集中器，負責整個Zigbee網(wǎng)絡的管理和接入的，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，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)模粋€是不可靠傳輸?shù)摹o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：設備搜索時延30ms，休眠激活時延典型值是15ms，活動設備信道接入時延為15ms

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

網(wǎng)絡容量大：Zigbee可以采用星形，樹形，網(wǎng)形的結構組網(wǎng)，而且可以通過任一節(jié)點組成更大的網(wǎng)絡結構，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的功能，加密算法采用AES-128，同時各個應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)絡不希望被人攻擊，這個時候需要考慮網(wǎng)絡的健壯性，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，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，各種外設的使用。

學Zigbee其實學的是網(wǎng)絡編程。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)絡層Zigbee NWK（network）和應用層。網(wǎng)絡層和應用層又分很多模塊，為什么呢？

首先網(wǎng)絡分層以后，要有加密特性（Security），再往上是一個Zigbee應用支持的子層，在網(wǎng)絡層和應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之上的，硬件基礎指的就是射頻，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)絡層，安全層和應用層，以及各種應用的產品架構；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)絡分層

下面是MAC層和PHY層，其實幾個網(wǎng)絡協(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，涉及到調制，調整方式為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)?a href="http://www.3532n.com/analog/" target="_blank">模擬信號。

物理幀格式

前導碼（4字節(jié)）：用于符合同步。

起始分隔符（1字節(jié)）：用于幀同步。

物理頭端（1字節(jié)）：指定了物理服務數(shù)據(jù)單元的長度。

物理服務單元（<=127字節(jié)）：用于負載數(shù)據(jù)，與以太網(wǎng)幀相比，屬于低數(shù)據(jù)量。

MAC層網(wǎng)絡拓撲結構

網(wǎng)絡協(xié)調器：

全功能設備（FFD,Router）：可以支持任何一種拓撲結構，可以作為網(wǎng)絡協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和任何一種設備進行通信，也叫路由節(jié)點

精簡功能設備（RFD）：支持量型結構，不能成為任何協(xié)商者，可以和網(wǎng)絡協(xié)商者進行通信，實現(xiàn)簡單。

網(wǎng)狀型結構全功能設備之間相互可以交互，這種組網(wǎng)的應用場景很多，但是這種組網(wǎng)方式對單個節(jié)點的運算能力比較高。因為它要存很多路由表，或者路由信息，要負載整個網(wǎng)絡的管理。若其中一個節(jié)點壞了，其它節(jié)點如何進行組網(wǎng)，如何進行網(wǎng)絡恢復，這些對單個節(jié)點的要求是比較高的。

實際我們在項目應用當中，蔟狀型的網(wǎng)絡是用得最多的，這樣可以用低成本的處理器就可以構建一個zigbee網(wǎng)絡。

幀格式

Mac層幀結構目標：用最低復雜度實現(xiàn)多噪聲無線信道環(huán)境下的可靠傳輸。多噪聲指環(huán)境非常惡劣的情況下，用一個低復雜度的算法，實現(xiàn)可靠的傳輸。

幀組成：

地址格式--16位短地址和64位擴展地址。

幀控制字段的內容指示地址類型。

幀的類型--信標幀，數(shù)據(jù)幀，確認幀，MAC命令幀。

理解信標幀是非常重要的，在整個MAC層協(xié)議里面，網(wǎng)絡管理會大量的使用信標幀。

在IEEE 802.15.4中，可以選用超幀為周期組織LR-WPAN網(wǎng)絡內設備間的通信。每個超幀都以網(wǎng)絡協(xié)調器發(fā)出信標幀開始，在信標幀中包含了超幀將持續(xù)的時間以及對這段時間的分配等信息。

網(wǎng)絡中的普通設備收到包含超幀結構的信標幀后，就可以根據(jù)其中的配置信息安排自己的任務。

超幀將通信時間劃分為活躍和不活躍的兩個部分。

如何通俗理解超幀呢?在協(xié)調器發(fā)送信標幀的時間段內，里面包含一個超幀，在超幀里面，發(fā)布了上這些消息：競爭接入的時間段（CAP）,非競爭接入的時間段（CFP）,保證時隙的間隔時間（GTS）,非活躍的時間段。

競爭接入的時間段（CAP），什么意思呢？幀里面，包含了時間戳，在整個網(wǎng)絡里面，所有的終端，所有的節(jié)點，在CAP整個時間段里面，是允許接入網(wǎng)絡的。在任何一個節(jié)點接入的時間，第一件事就是要入網(wǎng)，現(xiàn)在規(guī)定了時間才能入網(wǎng)，并不是設備在任何時間都能入網(wǎng)。在CAP采用時隙CSMA/CA協(xié)議進行通信（CSMA:載波沖突檢測）。

非競爭接入時段（CFP）,就是在這段時間段內，就不需要和別的設備搶了，當設備節(jié)點入網(wǎng)的時候，可以在這段時間內發(fā)送入網(wǎng)請求。

保證時隙的間隔時間（GTS），在這個間隔的時間里面，設備節(jié)點才能正常的通信。---時間片

非活躍時間段，在這個時間內，整個網(wǎng)絡里面不允許任何的交互。--靜默時間

由上可知，整個網(wǎng)絡的管理，協(xié)調器就是通過這種信標幀超幀的結構，來管理所有節(jié)點的交互。所以我們在做實驗的時候，如果發(fā)現(xiàn)協(xié)調器不通信了，可以抓包分析看看，這個協(xié)調器發(fā)送超幀的時間是多長時間，就能一目了然是為什么。為了保證實時性，我們可以把上面這幾個時間槽設置的短一點，周期快一點。為了更低的功耗，我們可以把時間周期設得長一點。

協(xié)調器為每一個節(jié)點都能分配一個時間槽，叫GTS，那么就需要所有的時間設備節(jié)點的時間都是一樣的（時間同步）。

在目前zigbee的實際使用中，是不會使用信標不使能的模式的，因為不使能的情況下，網(wǎng)絡會非常差，非常不可靠，一般都是信標使能的模式。

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信標幀使能通信

信標使能通信，類似于TCP/IP的三次握手機制。當協(xié)調器要發(fā)送數(shù)據(jù)給設備的時候，要比設備發(fā)送給協(xié)調器要復雜一點。

在使能信標幀網(wǎng)絡中，是有規(guī)定時隙的，CFP，CAP，TPS。在信標幀中，規(guī)定了在CFP時間點才能競爭入網(wǎng)，在CAP時間點才能非競爭入網(wǎng)通信，在GTS時間點才能發(fā)送數(shù)據(jù)。

在非使能信標幀網(wǎng)絡中，就是設備節(jié)點看網(wǎng)絡中是否有其它設備節(jié)點來搶信道資源，如果有其它設備，那本設備就等一會兒，這種網(wǎng)絡會非常不穩(wěn)定。

NB后退次數(shù)：可以理解為一個最大值，假設后退次數(shù)為3時，我想發(fā)言，第一次發(fā)現(xiàn)有其他人在發(fā)言，我等一會兒，第二次發(fā)現(xiàn)有人在發(fā)言，我再等一會兒，第三次發(fā)現(xiàn)還有人在發(fā)言，我就放棄此次發(fā)言。

CW碰撞窗口的長度：當我想發(fā)言的時候，我發(fā)現(xiàn)沒人跟我搶，我謹慎一點，再等一會兒，發(fā)現(xiàn)還是沒有人跟我搶，這是我就去發(fā)言。

BE后退指數(shù)：取值范圍為0~5，協(xié)議推薦值為3，最大值為5。

Z-Stack版本

國內用得最多時候是Z-Stack2.3.1-1.4.0版本（2011），目前商用的版本是Z-Stack 2.5.1a，后面的版本是針對不同行業(yè)的，如智能家居，照明，能源，Mesh網(wǎng)絡。我們學習Z-Stack，學習Z-Stack2.5.1a就比較好。

當我們不用51的核，采用ARM的核的時候，使用協(xié)議Z-STACK-3.0.1

Z-Stack目錄結構

我們學習Zigbee，需要了解Z-Stack的整個目錄，這里面不光包含了Z-Stack的源碼，協(xié)議的實現(xiàn)，同時，針對協(xié)議棧，提供了大量的工具以及說明文檔。

第一個目錄Components包含所有的源碼組件：硬件Hal，Mac層，mt，操作系統(tǒng)抽象層osal，服務層Services，協(xié)議棧層stack，zmac協(xié)議層。

第二個目錄Document為官方的說明文檔，需要掌握如何去看這些文檔及手冊。

第三個目錄Projects為典型的工程案例，已經(jīng)寫好的應用代碼。

第四個目錄Tools為一些上位機工具。

OSAL操作系統(tǒng)抽象層

OSAL操作系統(tǒng)抽象層如何實現(xiàn)多任務

任務調度：多任務的實現(xiàn)

時間管理：軟件定時器

原與通信：任務與任務之間的通信，類似于操作系統(tǒng)的消息隊列

OSAL為什么會應用到Zigbee呢，因為它在資源非常少的硬件上，比如51單片機，可以跑一個操作系統(tǒng)的雛形，通過非常低成本的資源去實現(xiàn)一些復雜的功能。可以知道Zigbee-Stack的代碼量非常多，這么多的功能和代碼量，就是通過OSAL這樣一個類操作系統(tǒng)來管理的。OSAL可以提供多任務的調度，任務間的通信，還包括時間管理。

任務的調度是通過一個單向鏈表來實現(xiàn)的。OSAL通過一個輪詢的機制來實現(xiàn)一個類操作系統(tǒng)，沒有搶占的概念。

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