Zigbee掃盲

什麼叫物聯網?

物聯網是通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備,按約定的協議,把任何物體與互聯網相連接,進行信息交換和通信,以實現對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。英文名爲Internet of things(IOT)。

什麼叫無線傳感網絡?

無線傳感網絡是大規模,無線、自組織、多跳、無分區、無基礎設施支持的網絡.其中的節點是同構的、成本較低、體積較小,大部分節點不移動,被隨意撒佈在工作區域,要求網絡系統有儘可能長的工作時間。 在通信方式上,雖然可以採用有線、無線、紅外和光等多種形式,但一般認爲短距離的無線低功率通信技術最適合傳感器網絡使用,爲明確起見,一般稱無線傳感器網絡(WSN.Wireless Sensor Network)。

什麼是Zigbee?

Zigbee是IEEE 802.15.4協議的代名詞。根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源於蜜蜂的八字舞,由於蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息,也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了羣體中的通信網絡。其特點是近距離、低複雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。主要適合用於自動控制和遠程控制領域,可以嵌入各種設備。簡而言之,ZigBee就是一種便宜的,低功耗的近距離無線組網通訊技術。

Zigbee與無線傳感網絡的關係

無線傳感網絡的無線通信技術可以採用ZigBee技術、藍牙、Wi-Fi和紅外等技術。ZigBee技術是一種短距離、低複雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網絡技術,是一組基於IEEE802.15.4無線標準研製開發的組網、安全和應用軟件方面的通信技術。

什麼是協議棧?

協議棧是指網絡中各層協議的總和,其形象的反映了一個網絡中文件傳輸的過程:由上層協議到底層協議,再由底層協議到上層協議。使用最廣泛的是英特網協議棧,由上到下的協議分別是:應用層(HTTP,TELNET,DNS,EMAIL等),運輸層(TCP,UDP),網絡層(IP),鏈路層(WI-FI,以太網,令牌環,FDDI等),物理層。

ZigBee聯盟於2005年公佈了第一份ZigBee規範“ZigBee Specification V1.0”。ZigBee協議規範使用了IEEE 802.15.4定義的物理層(PHY)和媒體介質訪問層(MAC),並在此基礎上定義了網絡層(NWK)和應用層(APL)架構。
ZigBee2007/PRO無線傳感器網絡與ZigBee2006無線傳感器網絡相比最大區別在於其支持最新ZigBee2007/PRO網絡,提供更多更精確傳感器(如增加高精度溫溼度數字傳感器等),提供更多可擴展接口,提供更大網絡支持,速度更快/處理能力更強低功耗微控制器等。

CC2530!

ZigBee的技術特性決定它將是無線傳感器網絡的最好選擇,廣泛用於物聯網,自動控制和監視等諸多領域。以美國德州儀器TI公司CC2430/CC2530芯片爲代表的 Zigbee SOC(System on chip)解決方案在國內高校企業掀起了一股Zigbee技術應用的熱潮。CC2430/CC2530集成了51單片機內核,相比於衆多的Zigbee芯片,CC2430/CC2530頗受青睞。
ZigBee新一代SOC芯片CC2530是真正的片上系統解決方案,支持IEEE 802.15.4標準/ZigBee/ZigBee RF4CE和能源的應用。擁有龐大的快閃記憶體多達256個字節,CC2530是理想ZigBee專業應用。CC2530結合了一個完全集成的,高性能的RF收發器與一個8051微處理器,8 kB的RAM ,32/64/128/256 KB閃存,以及其他強大的支持功能和外設。
CC2530提供了101dB的鏈路質量,優秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性,四種供電模式,多種閃存尺寸,以及一套廣泛的外設集 —包括2個USART、12位ADC和21個通用GPIO,以及更多。除了通過優秀的RF性能、選擇性和業界標準增強8051MCU內核,支持一般的低功耗無線通信,CC2530還可以配備TI的一個標準兼容或專有的網絡協議棧(RemoTI,Z-Stack,或SimpliciTI)來簡化開發,使你更快的獲得市場。CC2530可以用於的應用包括遠程控制、 消費型電子、家庭控制、計量和智能能源、樓宇自動化、醫療以及更多領域。

Z-Stack協議棧!

Z-Stack是在2007年4月,德州儀器推出業界領先的ZigBee協議棧,Z-Stack符合ZigBee 2006規範,支持多種平臺,Z-Stack包含了網狀網絡拓撲的幾近於全功能的協議棧,在競爭激烈的ZigBee領域佔有很重要地位。配合OSAL完成整個協議棧的運行。

Z-Stack只是ZigBee協議的一種具體的實現,我們要澄清的是ZigBee不僅僅有Z-Stack這一種,也不能把Z-Stack等同於ZigBee協議,現在也有好幾個真正開源的ZigBee協議棧,例如:msstatePAN協議棧,freakz協議棧,這些都是ZigBee協議的具體實現,而且是全部真正的開源的,它們的所有源代碼我們都可以看到,而Z-Stack中的很多關鍵的代碼是以庫文件的形式給出來,也就是我們只能用它們,而看不到它們的具體的實現。其中核心部分的代碼都是編譯好的,以庫文件的形式給出的,比如安全模塊,路由模塊,和Mesh自組網模塊。那些真正開源的ZigBee協議棧沒有大的商業公司的支持,開發升級方面,性能方面和TI公司的還是有很大的差距。

IEEE 802.15.4標準!

IEEE 802.15.4是一個低速率無線個人局域網(Low Rate Wireless PersonalArea Networks,LR-WPAN)標準。該標準定義了物理層(PHY)和介質訪問控制層(MAC)。這種低速率無線個人局域網的網絡結構簡單、成本低廉、具有有限的功率和靈活的吞吐量。低速率無線個人局域網的主要目標是實現安裝容易、數據傳輸可靠、短距離通信、極低的成本、合理的電池壽命,並且擁有一個簡單而且靈活的通信網絡協議。
LR-WPAN網絡具有如下特點:
◆ 實現250kb/s,40kb/s,20kb/s三種傳輸速率。
◆ 支持星型或者點對點兩種網絡拓撲結構。
◆ 具有16位短地址或者64位擴展地址。
◆ 支持衝突避免載波多路偵聽技術(carrier sense multiple access with collision avoidance,CSMA-CA)。
◆ 用於可靠傳輸的全應答協議。
◆ 低功耗。
◆ 能量檢測(Energy Detection,ED)。
◆ 鏈路質量指示(Link Quality Indication,LQI)。

◆ 在2450MHz頻帶內定義了16個通道;在915MHz頻帶內定義了10個通道;在868MHz頻帶內定義了1個通道。


爲了使供應商能夠提供最低可能功耗的設備,IEEE(Institute ofElectrical and Electronics Engineers,電氣及電子工程師學會)定義了兩種不同類型的設備:一種是完整功能設備(full.functional device,FFD),另一種是簡化功能設備(reduced.functional device,RFD)。

Zigbee協議體系結構!

ZigBee協議棧建立在IEEE 802.15 4的PHY層和MAC子層規範之上。它實現了網絡層(networklayer,NWK)和應用層(applicationlayer,APL)。在應用層內提供了應用支持子層(application support sub—layer,APS)和ZigBee設備對象(ZigBee Device Object,ZDO)。應用框架中則加入了用戶自定義的應用對象
ZigBee的體系結構由稱爲層的各模塊組成。每一層爲其上層提供特定的服務:即由數據服務實體提供數據傳輸服務;管理實體提供所有的其他管理服務。每個服務實體通過相應的服務接入點(SAP)爲其上層提供一個接口,每個服務接入點通過服務原語來完成所對應的功能。

物理層PHY

物理層定義了物理無線信道和MAC 子層之間的接口,提供物理層數據服務和物理層管理服務。
物理層內容:
1)ZigBee的激活;
2)當前信道的能量檢測;
3)接收鏈路服務質量信息;
4)ZigBee信道接入方式;
5)信道頻率選擇;
6)數據傳輸和接收。

媒體訪問介質層MAC

MAC層負責處理所有的物理無線信道訪問,併產生網絡信號、同步信號;支持PAN連接和分離,提供兩個對等MAC實體之間可靠的鏈路。
MAC層功能:
1)網絡協調器產生信標;
2)與信標同步;
3)支持PAN(個域網)鏈路的建立和斷開;
4)爲設備的安全性提供支持;
5)信道接入方式採用免衝突載波檢測多址接入(CSMA-CA)機制;
6)處理和維護保護時隙(GTS)機制;
7)在兩個對等的MAC實體之間提供一個可靠的通信鏈路。

網絡層NKW

ZigBee協議棧的核心部分在網絡層。網絡層主要實現節點加入或離開網絡、接收或拋棄其他節點、路由查找及傳送數據等功能。

網絡層功能:
1)網絡發現;
2)網絡形成;
3)允許設備連接;
4)路由器初始化;
5)設備同網絡連接;
6)直接將設備同網絡連接;
7)斷開網絡連接;
8)重新復位設備;
9)接收機同步;
10)信息庫維護。

應用層APL

ZigBee應用層框架包括應用支持層(APS)、ZigBee設備對象(ZDO)和製造商所定義的應用對象。
應用支持層的功能包括:維持綁定表、在綁定的設備之間傳送消息。
ZigBee設備對象的功能包括:定義設備在網絡中的角色(如ZigBee協調器和終端設備),發起和響應綁定請求,在網絡設備之間建立安全機制。ZigBee設備對象還負責發現網絡中的設備,並且決定向他們提供何種應用服務。
ZigBee應用層除了提供一些必要函數以及爲網絡層提供合適的服務接口外,一個重要的功能是應用者可在這層定義自己的應用對象。

應用程序框架AF

運行在ZigBee協議棧上的應用程序實際上就是廠商自定義的應用對象,並且遵循規範(profile)運行在端點1~ 240上。在ZigBee應用中,提供2種標準服務類型:鍵值對(KVP)或報文(MSG)

ZigBee設備對象(ZDO):
ZigBee設備對象(ZDO)的功能包括負責定義網絡中設備的角色,如:協調器或者終端設備。還包括對綁定請求的初始化或者響應,在網絡設備之間建立安全聯繫等。實現這些功能,ZDO使用APS層的APSDE-SAP和網絡層的NLME-SAP。ZDO是特殊的應用對象,它在端點(entire)0上實現。遠程設備通過ZDO請求描述符信息,接收到這些請求時,ZDO會調用配臵對象獲取相應描述符值。

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