Zigbee的协议栈结构介绍

作者:电工吧 日期:2020-09-14 21:34:59 人气: 栏目:市场动态

Zigbee技术已经出现近十多年。记得Zigbee出现初期,曾有一批公司以Zigbee应用为创业方向。可以说至今Zigbee市场始终没有红火起来,不过随着近年智能家居的应用逐渐增多,Zigbee技术又时常会出现在我们眼前。与同样是2.4GHz频段的蓝牙Wi-Fi技术相比、Zigbee可以说是一个熟悉又陌生的技术。

Zigbee的协议栈结构介绍(图1)

图1:Zigbee模块与应用它的智能家居产品(图片拍摄于智能家居展)

什么是Zigbee技术?

我们来看看Zigbee联盟是如何回答这个问题的:Zigbee联盟称其为“唯一完整的物联网解决方案,具有mesh网络和通用的语言,这使得智能设备可以协同工作”。这个回答够简单也够直接。

Mesh网络表示其具有动态自组网能力,对等网络节点可以互连互通,每个节点都可以作为AP使用,从而实现动态路由,大幅提高网络通信效率,适用于多设备网络。万一某个AP节点故障,便可自动开辟新的传输路线,保证数据传输。通用的语言,应该就是标准的协议栈,与蓝牙、Wi-Fi产品一样,不同供应商按照标准协议开发的产品可以互相组网工作。 以上两点确实高度概括,初步指也是适合智能家居的应用场景。据研究者分析,以100平米大小的住宅为例,需要联网的智能家居设备最低也要超过50个,一般的Wi-Fi AP难以管理如此多的设备。另外,这些设备多为传感器应用的简易设备,自动组网以及网络故障自修复能力对其至关重要。智能家居设备品牌众多,标准的协议栈也是不可或缺的。

mesh网络结构及技术指标

除了以上高度概括的两句话外,Zigbee的mesh网络结构及技术指标如下。

网络设备分类构成:

Coordinator(routing capable)--协调员

Router--路由器

End Device--终端设备

Zigbee Green Power Device--针对绿色能源应用的Zigbee设备

Zigbee的协议栈结构介绍(图2)

图2:Zigbee mesh网络拓扑图

(引自https://www.cnblogs.com/stonecastle/p/3140146.html)

网络规模:理论上支持65000个设备组网

无线技术:采用802.15.4标准

频段:2.4GHz

带宽及通道数量:2MHz/16通道

数据传输速率:250kbs

支持加密技术:AES-128

通信距离:

大于300米,室外无遮条件下

75--100米,室内

低功耗:支持设备睡眠模式

由于智能家居设备有许多采用电池供电的传感器设备,低功耗是不可回避的。Zigbee技术也是专门针对低功耗应用的无线解决方案,其标准专门定义了设备睡眠模式。

Zigbee的协议栈结构介绍(图3)

图3:Zigbee的特色(图片来自Zigbee联盟官网)

Zigbee的协议栈结构

接下来我们再了解一下Zigbee的协议栈,请看图4:

Zigbee的协议栈结构介绍(图4)

图4:Zigbee协议栈结构(图片来自Zigbee specification)

从图4可以看出,协议层结构分为硬件与软件,硬件层包括IEEE 802.15.4定义的PHY(物理层)和MAC(介质访问层),软件层为Zigbee联盟定义的NWK(网络层)、APS(应用程序支持层)、APL(应用层)。对于Zigbee协议栈的使用者而言,无非就是利用协议栈实现Zigbee设备组网、数据发送和数据接收功能。 智能家居开发工程师在采用Zigbee技术上一般可以通过以下两种方式实现。

一为直接采用Zigbee模块,模块与系统控制MCU通信,将要组网和数据收发功能通过Zigbee模块去实现。这样做的优点是系统开发周期短、技术难度小、回避射频设计,缺点是成本高,体积大。

另一种为采用带有Zigbee功能的SoC,将系统应用与Zigbee系统融合为一体。优点为集成度高、成本低;缺点为技术难度高,需要具有一定的射频设计能力。

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