Zigbee的协议栈结构介绍

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。

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

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。

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：

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。