ZigBee基础 | 易学教程

Zigbee技术

Zigbee由Zigbee联盟制定的无线网络协议，在IEEE 802.15.4标准的基础上设计，是一种自愈、安全和稳健的网状网协议，可扩展到更大范围内的数百个节点。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，核心市场包括消费类电子产品、能源管理和效率、医疗保健、家庭自动化、电信服务、楼宇自动化以及工业自动化等。

1）Zigbee工作频段

ZigBee工作在三种频段上，分别是用于欧洲的868MHz频段，用于美国的915MHz频段，以及全球通用的2.4GHz频段，它们各自的信道带宽分别是0.6MHz，2MHz和5MHz，分别有1个，10个和16个信道。Zigbee的数据速率并不高，对于2.4GHz频段只有250kb/s，而868MHz频段只有20kb/s，915MHz频段只有40kb/s。

目前国内Zigbee技术主要采用2.4GH频段。

2）Zigbee组网

Zigbee网络节点一般有三种，分别为协调器或中心节点（Coordinator）、路由节点(Router)、终端节点(End Device)。

中心节点：又指网络协调器，它包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，发送网络信标、建立和维护一个网络、管理网络节点、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。即使Coordinator掉电，Router仍然在保持网络，所以Router与Router之间仍然能够通讯，当有新的节点加入时，仍然能够通过现有的Router组建网络，加入网络。

路由节点：可以担任网络协调者，维护整个网络的正常运行，形成网络，让其它的路由或者终端连接，起到数据的转发功能和自动寻找最捷径的路由表。也可用作终端设备，兼转发和终端功能。

终端节点：用有限的功能来控制成本和复杂性，网络中通常用作终端设备。通常定义为电池供电设备，可周期性唤醒并执行设定的任务，End Device周期性醒来时，问自己的父节点是否有传输给自己的数据，并执行设定的任务。具有低功耗特征。

虽然Zigbee网络中有三种类型节点，但每个节点的物理特性都是相同，仅仅是软件配置不同从而控制节点类型。

一个Zigbee网络中有且只能有一个中心节点，企业接入网关在Zigbee网络中充当中心节点，完成Zigbee网络管理和Zigbee数据与其他网络（如Internet）数据交互功能。

企业接入网关通过USB或UART接口连接Zigbee模块（内置Zigbee协议栈），实现对Zigbee协议支持。Zigbee模块通过USB连接企业网关时，Zigbee模块（或USB接口）被虚拟为一个COM口，网关通过读写COM口完成对Zigbee数据的收发。

Zigbee应用

1．同一个Zigbee网络内，所有节点必须具有相同的频道及PAN ID（网络ID）。

2. Zigbee网络是MESH结构网络（网状网），最大特点是自动路由及动态维护路由。

3. 在Zigbee协议内部，用户的96个字节为一个数据帧，最大发送数据包为269个字节，在Zigbee内部会分成3个数据帧，到达目标模块后，先还原成原始数据再从串口输出。所以，用户每次发送的数据包如果少于96字节，会获得最好的性能。

4. ZigBee 是基于 IEEE 802.15.4 定义的 MAC 层和物理层，在 IEEE 802.15.4 规范中定义 3 个工作频段 2.4GHz(全球)、868MHz(欧洲)和 915 MHz(美国)，它们分别具有最高 250kbit/s、 40kbit/s和 20kbit/s的传输速率。在这三个频段上一共有27个可选择工作信道，其中在 2.4GHz 上有 16 个信道，在 915MHz 上有 10 个信道，在 868MHz 上有 1 个信道。国内 ZigBee 产品工作在 2.4GHz 的频段上，可以有 16 个信道选择。在 AT 命令模式，可通过“AT+CHA=N”,其中 N=11-26，配置信道。推荐使用 15，20，25，26 信道，可减少同频段上 wifi 的干扰。

5.Zigbee透明传输指发送端发出的内容与接收端收到的内容完全一致。一般情况下，透明传输仅支持Coordinator与Router，或Coordinator与End Device间传输。因为广播仅适用于协调器。

主发从：广播，在Zigbee网络中，Coordinator发送的数据，同网络的所有Router和End Device都将收到相同的数据。

从发主：仅主收到，从网络中的某个Router或End Device发送数据，只有Coordinator收到相同数据。

6. 点对点传输指发送端在已知对方地址的情况下按照指定的格式将数据发送给同网络内其他某个节点（或在未知地址的情况下广播发送）。点对点传输支持网络内的任意节点间的数据传输。一般自定义协议格式。

7．Zigbee网络一般配置参数

配置信息	参数范围	功能说明
节点类型	0-2	0：Coordinator，1：Router，2：End Device
PanID	0x0000~0xFFFF	Zigbee局域网ID，节点用于判断自身所属网络的标识。可互相通信的节点PanID必须相同。且必须保证同一工作区域内的相邻网络PanID不同。
信道	11-26	Zigbee的2.4G提供16个物理信道，必须在同一信道节点才可能互相通信。在同一工作区域内的相邻网络，建议使用不同的通道，以避免相互干扰导致通信效率降低。推荐使用 15，20，25，26 信道，可减少同频段上 wifi 的干扰。
设备地址	0x0000~0xFFFF	透明传输时不用设置。

Zigbee市场方案

Zigbee网络中各个节点的物理特性相同，即每个节点可通过软件配置为任意节点类型。

目前市场上的Zigbee方案可分为两类：一是基于Zigbee芯片直接开发，包含硬件和软件协议栈（一般芯片厂商直接提供协议栈），市面上应用较多的芯片包括TI的CC2530和CC260，NXP的JN5168等；二是直接采用Zigbee透传模块，模块内置协议栈，只需要满足模块硬件要求即可保证数据透明传输。相较于基于芯片开发，显然基于模块开发更简单可行（规避了芯片电路设计陷阱和软件协议栈的设计）。本次企业网关开发直接选用内置Zigbee协议栈的模块进行开发。

Zigbee数据量少且速度不高，芯片或模块外置姐接口以UART居多，对企业网关UART接口不易连接且数量有限，选用外置USB接口的Zigbee模块方案更为合适。

不同厂商zigbee方案

TI SimpleLink MCUs

TI提供分别对Zigbee三代协议支持的芯片CC243x，CC253x和CC26x2/CC13x2。

NXP Zigbee方案

NXP提供JN 516x和JN517x两类Zigbee芯片，突出特点为超低功耗。支持Zigbee3.0协议支持。

小米的多功能网关采用的是基于NXP的JN5168芯片方案，参考：从小米智能套装分析同为2.4G的ZigBee与Wi-Fi如何相容。

ZLG开发了FastZigbee协议，采用JN5168芯片方案。FastZigbee采用全透明传输方式，透明传输：即发送方和接收方数据的长度和内容完全一致，相当于一段无形的传输线。透明传输的优势在于，用户可以在这个基础上，创建自己需要的协议格式，使用户不局限于固定使用第三方协议。

参考：