Zigbee3.0简介
<p>[TOC]</p>
<h1>一. ZigBee协议简介</h1>
<h2>1、概述</h2>
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ZigBee是由ZigBee联盟设计的一种低功耗、低时延、高可靠性和短距离的无线通信协议，主要适用于无线自动控制领域，可嵌入到各种小型设备之中，目前已经被飞利浦、小米、谷歌、宜家和三星等各大公司所采用，广泛应用于智能家居、工业自动化、智慧城市以及智慧农业等行业。
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举个在智能家居方面的例子，ZigBee技术被广泛应用在智能门锁、智能灯、智能开关、智能插座、智能传感器和各种智能生活电器之中，使其具备无线通信能力，从而可以实现包括人走了自动关门关窗关家电、温度高自动开空调和下雨自动收衣服等自动化控制功能。
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<h2>2、低功耗</h2>
<p>ZigBee协议由于通信速率低、复杂度低以及划分工作状态和睡眠状态等，因此非常低功耗，例如市面上的一些ZigBee无线按钮仅使用纽扣电池就可以正常使用两年，这是蓝牙和WiFi所难以比拟的。
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<h2>3、响应时延低</h2>
<p>ZigBee的响应时延低，网络节点从睡眠状态切换到工作状态只需要约15毫秒，并且加入到网络中只需要约30毫秒。</p>
<h2>4、高可靠</h2>
<p>ZigBee通过支持多种网络拓扑结构、大规模组网、自组网以及灵活的数据安全策略等多种功能提供了高可靠性的网络通信服务，确保了通信的稳定性。</p>
<h2>5、短距离</h2>
<p>相邻的两个ZigBee节点之间的通信距离在10米到200米之间。也可以通过技术手段扩展到1千米左右，例如使用胶状天线、棒状天线，又或者使用功率放大芯片等。
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<p>如果读者曾经了解过经典的TCP/IP协议，那么可以用类比的方式来理解ZigBee协议层次。与TCP/IP协议类似，ZigBee协议可以划分为物理层、MAC层、网络层和应用层4个逻辑层次，各个层次各司其职。
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<h1>二、物理层与MAC层</h1>
<h2>1、IEEE 802.15.4协议简介</h2>
<p>要讨论 ZigBee 技术，自然绕不开 IEEE 802.15.4协议，因为ZigBee的 物理层和MAC层就是 IEEE 802.15.4 协议。IEEE 是一个组织，叫作“电气和电子工程师协会”， 802.15 是这个协会里面的一个部门，部门里的第 4 工作组开发了一个协议，就叫 IEEE 802.15.4协议。这个协议是专门为低速无线个人区域网络而设计的，具有超低复杂度、超低功耗、低数据传输率的特点。
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<h2>2、IEEE 802.15.4物理层</h2>
<p>IEEE 802.15.4的物理层作为Zigbee协议结构的最低层，提供了最基础的服务。通常地，作为ZigBee技术的应用开发者，只需通俗地理解物理层的主要作用是将一个设备的数据转换为电磁波信号之后发送到另一个设备，再由另一个设备解读电磁波信号获取数据
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IEEE 802.15.4提供了基于2.4GHz、868MHz以及915MHz电磁波频带的3两种物理层协议。在世界各地均能使用2.4GHz，但是868MHz和915MHz是有地域限制的。它们之间基本区别主要是通频带不同，以及由此而带来的通信速率不同：2.4GHz物理层支持240kb/s的数据率，而868MHz和915MHz物理层的数据率分别是20kb/s和40kb/s。
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<h2>3、IEEE 802.15.4 MAC层</h2>
<p>由于电磁波和物理介质的物理特性所限制，同一物理通信资源在同一时刻只能被一个网络设备占用来发送数据，如果有多个网络设备都要发送数据，那么需要怎么控制它们有序地占用物理通信资源来发送数据呢？
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为了解决这个问题，媒体接入控制层（MAC，Media Access Control）应运而生。
IEEE 802.15.4的MAC层，即媒体接入控制层，是建立在物理层之上，它不关心数据是怎么转换成电磁波信号、电磁波的频率是多少等，它只关心自己负责那部分，也就是：
第1，将设备划分为协调器和普通设备；
第2，协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步；
第3，个域网的关联和取消关联；
第4，确保无线信道的通信安全；
第5，支持带有冲突避免的载波侦听多路访问（CSMA/CA）；
第6，提供时槽保障（GTS，Guaranteed Time Slot）服务；
第7，提供不同设备之间的MAC层的可靠传输服务。</p>
<p>同样地，我们暂时只需通俗地理解MAC层的主要作用是控制多个网络设备有序地利用物理通信资源来进行可靠通信。</p>
<h1>三、网络层</h1>
<h2>1、网络层的主要工作内容</h2>
<p>ZigBee网络层基于IEEE 802.15.4协议之上，是ZigBee协议的核心部分，所以人们也通俗地称为“核心协议”，它主要负责以下3方面的工作。
第1方面，负责多个设备之间的组网，即星状网络、树状网络和网状网络的构建与维护。
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处于网络中的设备我们们可以通俗地称为“网络节点”。ZigBee 网络节点有以下3种类型：</p>
<ul>
<li>协调器（Coordinator）：充当ZigBee网络的网关（中心节点）角色，通常负责ZigBee协议与NB-IoT、WiFi等其他协议的转换、在特定的信道组建网络等，同时具备路由器的功能。</li>
<li>路由器（Router）：又称为中继器，负责数据路由。所有的终端设备都需要通过协调器或者路由器加入到网络中。</li>
<li>终端设备（End Device）：又称为叶子节点，必须通过协调器或者路由器才能加入到ZigBee网络中。例如在智能家居场景中，终端设备通常就是是温湿度传感器、无线开关按钮或者各种生活电器等等。</li>
</ul>
<p>ZigBee组网有3个主要特性：
第1，支持构建和维护超过10,000个网络节点的网状网络，远远超过蓝牙的8个和WiFi的32个。它的好处在于：一方面可以让更多设备加入到自动化控制和远程控制中，设备数量上的局限不复存在；另一方面，在网状网络中，两个网络节点之间有1条或以上的通信链路，可以提供多通道通信服务。在复杂的工业场景下，往往不能保证每条无线网络通信链路始终畅通，多通道通信能够使得当某条链路堵塞后使用其他链路来通信，确保了通信的稳定性。
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第2，支持动态路由，即根据各个网络节点的实时状态来动态计算网络中任意两个节点之间的最优通信路径。举个例子，例如在网状网络的场景下，任意两个节点之间可能有多条通信路径，通过计算各个路径的实时质量从而动态选择最优的通信路径。
第3，支持自组网，即在网络节点被拆散开，因为超出通信范围而无法通信之后，当他们再次回到通信范围内相聚的时候，彼此之间能够自动重新构建网络来实现数据通信。</p>
<p>第2方面，负责设备之间的控制指令和设备的状态信息等数据的传输，举个例子，以空调为例，这里所说的控制指令是指空调的开关、制冷温度设定、工作模式设定等指令；状态信息是指空调在某个时刻的状态，例如设定的温度是多少、室内温度是多少、工作模式是什么等。
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第3方面，负责数据的加密解密等网络安全管理。
从核心协议的3个主要方面的工作可以看出ZigBee就是是专门为自动化控制和远程控制而设计的一种网络协议。</p>
<h2>2、网络层的历史</h2>
<p>到现在为止，ZigBee联盟总共发布了多个核心协议版本，我们分别简单了解一下。
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<ul>
<li>ZigBee 2004这个版本也被称为 ZigBee 1.0，主要是实现了一些基础的网络层功能。</li>
<li>值得注意的是，ZigBee 2006版本并不兼容 2004，也就是说 2004 版本直接成为历史，2006 版本支持构建树状网络和网状网络，并且引入集群（Cluster Library）的概念。集群的具体含义，我们在后面章节再展开描述。</li>
<li>ZigBee 2007版本其实也是在 2006 年发布的，设计的初衷是针对商业照明领域的。ZigBee 2007 与2006相比，主要是提升了抗干扰能力以及引入一些新的集群等。</li>
<li>ZigBee 2007 Pro在2007 年面世，目前已经被TI、Silicon Labs和NXP等多家技术方案商采用，是应用最为广泛的版本。</li>
<li>ZigBee RF4CE版本在2009年推出，RF 指的是射频，4 指”for”，CE是指消费电子，它的特点是主要使用 1 对 1通信以及1 对多通信。这是 ZigBee 核心协议的一个特殊分支。</li>
</ul>
<h1>四、应用层</h1>
<h2>1、应用层简介</h2>
<p>ZigBee应用层可以理解为一套标准规范，规定了对象的属性和状态等，因此我们又可以称之为“应用协议”。举个例子，可以规定灯这个对象具备开关这个属性，这个属性有“开”和“关”两个状态，可以用数字“1”来表示状态开，数字“0”表示状态关。
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有了这套规范，或者说是约定，不同的ZigBee设备之间真正做到了相互理解、相互合作。应用协议是与ZigBee应用开发者最常打交道的层次。我们所说的ZigBee 技术开发，一般就是指基于ZigBee应用协议的技术开发。</p>
<h2>2、应用协议的发展</h2>
<p>ZigBee应用协议的发展可以大致归纳为 3 个阶段。
1.在初始阶段，由于ZigBee联盟还没有定义标准的应用协议，因此各大公司纷纷基于ZigBee 2007 Pro而开发各自的私有应用协议。这些私有协议之间互不兼容，这导致了一个公司的ZigBee产品不能和另一个公司的相互通信。这大大地限制ZigBee协议的发展，也与万物互联的理念相悖。
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2.在第2个阶段，为了解决这些兼容性问题，ZigBee联盟根据不同的应用领域推出了不同的应用协议，比如有面向家居自动化领域的 ZHA 协议、面向智能照明领域的 ZLL 协议、面向智能能源领域的 ZSE 协议，以及面向健康、零售和消费电子等等领域的应用协议。“领域”一词可以称为“Profile”，比如家居自动化领域可称为 ZHA Profile。然而同一领域中的ZigBee设备可以相互通信，但是不同领域的ZigBee设备仍然难以兼容。
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3.在第3个阶段，ZigBee联盟在2016 年5月发布了ZigBee 3.0协议。它的发布可以说是ZigBee应用协议发展的一个里程碑：ZigBee 3.0协议整合了各个领域的应用协议，解决了不同领域的ZigBee设备之间的兼容性问题，使其能够真正地互联互通！同时，ZigBee 3.0协议也增加了更多的产品类型和属性定义，并且提升了通信安全性和稳定性。
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