Zigbee基础知识
<p>[TOC]</p>
<h1>一、Zigbee基础</h1>
<h2>1、什么是Zigbee</h2>
<p>在智能领域的硬件和互联网中,著名的ZigBee组网应该是没有人不知道。除了wifi,蓝牙之外，ZigBee是目前的一个最重要的无线通信协议之一,主要用于物联网和智能硬件和其他领域之中。</p>
<p>首先ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位和远近信息的，也就是所蜜蜂依靠着这样的方式构成了群体中的通信“网络”，因此ZigBee的发明者们形象地利用蜜蜂的这种行为来形象地描述这种无线信息传输技术。</p>
<p>ZigBee是建立在 IEEE 802.15.4 标准之上，由于 IEEE 802.15.4标准只定义了物理层协议和MAC 层协议，于是成立了zigbee联盟，ZigBee联盟对其网络层协议和 API 进行了标准化，还开发了安全层。经过ZigBee联盟对 IEEE 802.15.4 的改进，这才真正形成了ZigBee协议栈(Zstack)。
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=1084cb75872e0ea4fcb51bcf8d5c7480&amp;file=file.png" alt="" /></p>
<h2>2、Zigbee的特点</h2>
<p>数据传输速率低：10KB/秒~250KB /秒，专注于低传输应用。
功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6~24个月。
成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。
网络容量大：网络可容纳 65,000 个设备。
时延短：通常时延都在 15ms~30ms。
安全： ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）</p>
<h2>3、ZigBee网络拓扑</h2>
<p>如网络图中所述，zigbee网络由协调器（C），路由器（R）和终端设备（E）组成。Zigbee支持网状路由。
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=0577e1e3cb83ff2f17361c7355419ed2&amp;file=file.png" alt="" /></p>
<h3>Coordinator(协调器)：</h3>
<p>总是需要安装第一个协调器来建立zigbee网络服务，它启动一个新的PAN（个人区域网络），一旦启动其他zigbee组件即。路由器（R）和终端设备（E）可以加入网络（PAN）。 - 负责选择频道和PAN ID。 - 它可以帮助通过网状网络路由数据，并允许来自R和E的加入请求。 - 它是主电源（AC）并支持子设备。 - 它不会进入睡眠模式。</p>
<p>协调器选择一个信道和一个网络ID(也称之为PAN ID，即Personal Area Network ID)，随后启动整个网络。协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定(bindings)。</p>
<p>注意，协调器的角色主要涉及网络的启动和配臵。一旦这些都完成后，协调器的工作就像一个路由器(或者消失go away)。由于ZigBee网络本身的分布特性，因此接下来整个网络的操作就不在依赖协调器是否存在。</p>
<h3>Router(路由器)：</h3>
<p>第一个路由器需要加入网络，然后它可以允许其他R＆E加入PAN。 - 主电源（AC）和支持子设备。 - 它不会进入睡眠模式。</p>
<p>路由器的功能主要是：允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的由电池供电的终端设备的通讯。</p>
<p>通常，路由器希望是一直处于活动状态，因此它必须使用主电源供电。但是当使用树状网络拓扑结构时，允许路由间隔一定的周期操作一次，这样就可以使用</p>
<h3>End-Device(终端设备)：</h3>
<p>它不允许其他设备加入PAN，也不能协助通过网络路由数据。 - 电池供电，不支持任何儿童设备。 - 这可能会睡眠，因此可以在很大程度上最小化电池消耗。有两种拓扑结构，星形和网状，如前所述Zigbee支持网格路由。PAN ID用于zigbee设备之间的通信，它是16位数。协调器将PAN ID始终设置为零，并且所有其他设备在加入PAN时将接收16位地址。完成Zigbee网络安装有两个主要步骤。通过协调器形成网络并通过路由器和终端设备加入网络。</p>
<p>终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以可以是一个电池供电设备。通常，终端设备对存储空间(特别是RAM的需要)比较小。</p>
<h2>4、ZigBee无线通信技术主流频段分配</h2>
<p>ZigBee主流频段分为2.4G，868MHz（欧洲频段），915MHz（北美频段）总共27个信道，描述如下：
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=62d67c9327d70291f15700d6f5c93c62&amp;file=file.png" alt="" />
<strong>2.4G频段（全球通用）：</strong>
2405 MHz---2480MHz，分别对应0B（2405MHz）--1A（2480MHz）信道，每隔5MHz代表一个信道，总共16个信道；
<strong>868MHz频段（欧洲）：</strong>
868.3MHz，对应Channel 0，总共1个信道；
<strong>915MHz频段（北美）：</strong>
902 MHz---928MHz，分别对应1（902MHz）--0A（928MHz）信道，每隔2MHz代表一个信道，总共10个信道；</p>
<h2>5、ZigBee常见的应用场景</h2>
<p>ZigBee主要应用于如下场景：智慧家庭，工业控制，自动抄表，医疗监护，传感器网络应用及智能通信服务【对应ZigBee联盟推出的多个应用规范（Application Profile）】，举例如下：
智慧家庭：智能开关，灯控设备（球泡灯&驱动），温控器系列等；
工业控制：工业检测传感器设备（温度，湿度等），自动阀门等；
自动抄表：燃气表，水表，电表等；
医疗监护：智慧输液，婴儿防盗，室内定位，紧急呼叫等。</p>
<h2>6、ZigBee和其他无线网络传输协议对比【主要针WIFI，蓝牙及GPRS】</h2>
<p>示意数据如下图表格所示：
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=048d5e13978c27b914edccb2012f13af&amp;file=file.png" alt="" />
<strong>说明：</strong></p>
<p>上述参数为常规（一般）环境下参数说明，仅做参考；
a. 关于蓝牙：自从蓝牙4.0发布BLE协议以来，蓝牙的功耗是使用体验有较大改善且支持广播，mesh功能；
b. 关于传输距离：ZigBee模组在空旷空间满发射功能工作是，可视距离可达到1000-2000m左右；
c. 关于电池使用寿命：和设备检测频率和上报频率有关，且和发射功率大小也有紧密联系，另外和电池类型（电池容量）也有关系。
举例：
使用ZigBee设计一款门磁设备发射功率为8dBm，心跳周期为5分钟，设备触发即上报，目前测试使用CR123锂电池可以工作1.5-2.0年【和触发频率相关】；
电池容量：如CR2450，CR3020等纽扣电池，电池容量较小，使用寿命相对CR123锂电池就存在差异（同一款设备）。</p>
<h2>7、ZigBee和WI-FI共存问题</h2>
<p>ZigBee和WIFI共存说明：
两者均工作在2.4G频段，当在同一环境中通信时，会收到相同频率的恒定干扰，为减少WIFI和ZigBee频道之间的同频干扰问题，ZigBee联盟建议使用11，14，15，19，20，24，25信道。
<img src="https://www.showdoc.com.cn/server/api/attachment/visitFile?sign=eb930cd76966c42468700583de9ce3ef&amp;file=file.png" alt="" />
如上图所示：
WIFI（中国）通常默认信道为1，6和11，且每个频道的频谱带宽为22MHz；ZigBee从2450MHz-2480MHz，总共形成16个频道且每个频道的频谱带宽为2MHz。通过上图分析发现：
a. Wifi边界频点2.402Ghz偏左，对应ZigBee的11信道，频点2.405Ghz；
b. Wifi的3、4信道间，频点为2.422到2.427Ghz之间，对应ZigBee的15信道，频点2.425Ghz；
c. Wifi的8、9信道间，频点为2.447到2.452Ghz之间，对应ZigBee的20信道，频点2.450Ghz；
d. Wifi边界频点2.483Ghz偏右，对应ZigBee的26信道，频点2.480Ghz。
综上：<strong>避免ZigBee收到Wifi的影响，最合理的信道要配置在11、15、20、26。</strong>【若路由支持5G&2.4G功能，建议使用5G-WIFI信号，另外无线信号干扰问题无法从根本上规避，是否有效需要根据实际环境调试后验证确认】</p>
<h2>8、ZigBee和蓝牙共存问题</h2>
<p>蓝牙传输采用79个随机频道中的一个【跳频】，信道带宽为1MHz，而ZigBee信道带宽为2MHz，在间隔的频段上信号相当低，可以忽略，所以当蓝牙与ZigBee的所有信道都等概率工作时，信道重叠概率较低。但是当两个信号使用同一频段时，即蓝牙信号和ZigBee信号信道重合，则会严重干扰ZigBee信号的性能。</p>
<h2>9、ZigBee和蓝牙mesh区别</h2>
<p>核心区别：</p>
<ul>
<li>ZigBee采用路由寻址转发数据，每一个路由节点内维护一张路由表，接收到一个数据包后通过查询路由表获知需要通过哪个端口或连接将数据包转发出去。路由寻址尽量以最短距离的传播路径，到达所有目的节点。</li>
<li>蓝牙Mesh采用受控泛洪广播转发数据，不需要路由表，每个节点向周围广播数据包，数据包几乎可以到达全网的所有节点。为避免网络拥塞，每个节点对同一个数据包只处理一次，且为每个数据包设置生存时间TTL。数据包可以通过不同路径到达目的节点。</li>
</ul>
<h2>10、ZigBee3.0入网方式说明</h2>
<p>通过Z-Stack 3.0文档描述，zigbee有四种方式入网，分别是：</p>
<ol>
<li>global Trust Center link key，也就是集中式入网；</li>
<li>distributed global link key，也就是分布式入网
<strong>注: 在分布式入网模式下，ZR(zigbee router)类型的设备也具有创建网络的功能，不再只ZC(zigbee coordinator)设备具有创建网络的能力。</strong></li>
<li>install code入网方式：
install code 最根本的解决了设备在入网或 insecure rejoin 时使用 global link key 泄露 network key 的风险；对于固定长度install code ，通过hash 算出固定长度的 link key，那么只要保证每个设备的 install code 不同就可以降低密钥泄露风险。</li>
<li>touchlink入网方式：
就是在ZC上按键以后，持续一段时间网络处于开放状态(允许别的设备加入网络)，超时之后就进入关闭状(不允许别的设备加入)，然后继续按按键，又处于开放状态，和以前的蓝牙配对类似。</li>
</ol>
<h2>11、现在瑞瀛的Zigbee3.0的设备是否已经可以无缝接入涂鸦、小米等Zigbee3.0网关，反过来是否瑞瀛的网关是否可以直接兼容他们的Zigbee3.0设备？</h2>
<p>根据目前客户使用及测试反馈目前存在一定局限：
a、我司Zigbee3.0设备接入涂鸦，小米：Zigbee3.0可以正常配网，但设备是否可以注册到服务端不一定【如涂鸦平台接入需要白名单且设备入网时网关读取设备参数也有要求】；
b、瑞瀛网关对接其他Zigbee3.0设备：若可以严格按照标准处理方式可以正常对接，但若设备端有定制处理则无法正常添加。</p>
<h2>12、Zigbee 3.0协议，在工业现场的环境传感器、电力传感器方面，有标准的应用层定义了吗？</h2>
<p>据了解，之前Zigbee PRO有定义相关的工业环境使功能集，Zigbee3.0更多的是应用层协议统一。</p>