作為一個(gè)硬件從業(yè)人員，雖然不是從事物理網(wǎng)行業(yè)的，但是多少得了解一些，以下是筆者最近學(xué)習(xí)Zigbee的筆記，包含了Zigbee基本知識(shí)，正確的學(xué)習(xí)方法。

Zigbee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

先搞清楚IEEE802.15.4協(xié)議。

這個(gè)協(xié)議必須搞清楚，搞不定這個(gè)協(xié)議，Zigbee永遠(yuǎn)吃不透。其實(shí)學(xué)習(xí)這個(gè)很簡(jiǎn)單，如果學(xué)過(guò)TCP/ip的話，大家知道，我們要去掌握整個(gè)tcp/ip核心的話，我們要掌握以太網(wǎng)底層的一些協(xié)議，比如我們做驅(qū)動(dòng)，我們做開(kāi)發(fā)，如果說(shuō)不懂的話，是沒(méi)有辦法做項(xiàng)目的，更直白一點(diǎn)，沒(méi)法在工作中去解決實(shí)際的問(wèn)題。對(duì)于老板來(lái)說(shuō)，老板招人過(guò)來(lái)，就是要解決問(wèn)題的，如果沒(méi)有解決問(wèn)題的能力，那在職場(chǎng)中是沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力的。

ZIGBEE是什么？

在傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，大家耳熟能詳?shù)木褪莾煞N，藍(lán)牙和wifi。在物聯(lián)網(wǎng)的世界，也存在物與物之間存在信息溝通的橋梁，也是通過(guò)無(wú)線技術(shù)，最經(jīng)典的就是ZIGBEE技術(shù)，還有ZWAVE技術(shù)，不過(guò)ZWAVE在中國(guó)還是用得很少的。

為什么要引入zigbee呢？

有了Zigbee之后，全球才有了一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的概念，Zigbee號(hào)稱我們商用的第一個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)。

到目前為止，無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是全球，Zigbee是商用最多的，Zigbee做出來(lái)的產(chǎn)品是很多的，在國(guó)內(nèi)，最典型的Zigbee應(yīng)用是在智能家居領(lǐng)域，目前在國(guó)內(nèi)推出的只能家居，絕對(duì)是Zigbee，為什么呢？

zigbee出來(lái)比較早，大概是在03年，Zigbee整個(gè)協(xié)議的這個(gè)技術(shù)現(xiàn)在變得很成熟。真正可商用化的產(chǎn)品，一定會(huì)選一個(gè)成熟的技術(shù)方案。

Zigbee能夠干什么?

Zigbee主要用于構(gòu)建無(wú)線局域網(wǎng)，如果這個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)用于傳感器的數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)就叫做無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN:Wirelss Sensor Network），是無(wú)線局域網(wǎng)的具體應(yīng)用。

Zigbee是屬于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的一種。

圖中Sink node叫做集中器，負(fù)責(zé)整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的管理和接入的，同時(shí)還負(fù)責(zé)和外圍交互，可以和PC，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接。

單純的一個(gè)Zigbee是沒(méi)有實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景的，現(xiàn)在使用的各種的物聯(lián)網(wǎng)終端，最起碼有一個(gè)app，需要用來(lái)觀看無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的信息，需要保證這個(gè)Sink node接入到我們的物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中來(lái)。

Zigbee特點(diǎn)

低功耗：6個(gè)月-2年，為什么是一個(gè)比較大的范圍呢？任何一個(gè)低功耗的傳感網(wǎng)絡(luò)，首先需要問(wèn)工作方式是什么，比如多長(zhǎng)時(shí)間獲取一次數(shù)據(jù)，多長(zhǎng)時(shí)間發(fā)送一次數(shù)據(jù)，才能得到具體的使用時(shí)間。

高可靠性：用tcp/ip來(lái)解釋，在tcp/ip協(xié)議中，有兩種經(jīng)典協(xié)議，TCP和UDP，一個(gè)是面向連接的，一個(gè)是無(wú)連接的，一個(gè)是可靠傳輸?shù)?，一個(gè)是不可靠傳輸?shù)摹o(wú)線連接本身存在不可靠性，zigbee針對(duì)這個(gè)做了一些高可靠性的機(jī)制。

低成本：開(kāi)源，免專利費(fèi)

碰撞避免機(jī)制，交互確認(rèn)的機(jī)制，保證可靠通信

低延時(shí)：設(shè)備搜索時(shí)延30ms，休眠激活時(shí)延典型值是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入時(shí)延為15ms

低數(shù)據(jù)量：Zigbee每個(gè)網(wǎng)絡(luò)模塊射頻前端的數(shù)據(jù)傳輸為250kbps

網(wǎng)絡(luò)容量大：Zigbee可以采用星形，樹(shù)形，網(wǎng)形的結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，而且可以通過(guò)任一節(jié)點(diǎn)組成更大的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從理論上講，其可連接的節(jié)點(diǎn)多達(dá)65535個(gè)，其實(shí)就是一個(gè)16bit的數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中并沒(méi)有這么多，實(shí)際受限于硬件資源。所謂的硬件資源就是芯片的ram，flash，是否能夠容納這么多的節(jié)點(diǎn)，是否能夠管理。

高保密性：Zigbee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢驗(yàn)和鑒權(quán)的功能，加密算法采用AES-128，同時(shí)各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。----所有的無(wú)線傳輸，都是通過(guò)一個(gè)射頻的物理通道，任何人都可以利用zigbee協(xié)議開(kāi)放特性，通過(guò)射頻芯片發(fā)送數(shù)據(jù)包。但是與互聯(lián)網(wǎng)一樣，我們?cè)L問(wèn)網(wǎng)站的時(shí)候，為什么要用https，是因?yàn)榘踩珯C(jī)制，個(gè)人網(wǎng)絡(luò)不希望被人攻擊，這個(gè)時(shí)候需要考慮網(wǎng)絡(luò)的健壯性，保密性。Zigbee采用AES-128，并需要硬件支持

全球的通用性和完好的開(kāi)發(fā)性：由于Zigbee標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，因此不同廠家芯片利用Zigbee通信將是輕而易舉的事情。如ti的方案，恩智浦的方案，只要都滿足Zigbee，互相通信將不是問(wèn)題。

Zigbee學(xué)習(xí)模式

單片機(jī)+Zigbee=學(xué)習(xí)模式

只花20%的實(shí)際學(xué)習(xí)單片機(jī)的外設(shè)，編程。要花80%的時(shí)間放在Zigbee協(xié)議棧。只有這樣才能用Zigbee來(lái)做項(xiàng)目，但是很多書(shū)籍都是大篇介紹單片機(jī)的使用，各種外設(shè)的使用。

學(xué)Zigbee其實(shí)學(xué)的是網(wǎng)絡(luò)編程。Zigbee的代碼量其實(shí)是挺大的，不要一上來(lái)就分析代碼，要明白整個(gè)協(xié)議的設(shè)計(jì)，才能明白代碼，才能讀懂代碼。

抓包分析：如果沒(méi)有抓包能力，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)就沒(méi)法知道是上面什么意思，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)不通的時(shí)候就沒(méi)法分析。如果掌握抓包能力，發(fā)的任何信息都能知道是上面意思，這樣才能把Zigbee掌握透徹。

Zigbee聯(lián)盟

Zigbee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)協(xié)會(huì)。

Zigbee硬件平臺(tái)

TI，Jennic，Silicon Labs

不同廠家都有自己硬件上的芯片，都有自己軟件的協(xié)議棧。

Zigbee協(xié)議棧

Zigbee協(xié)議實(shí)現(xiàn)的代碼庫(kù)

Zigbee協(xié)議棧，有一個(gè)分層的概念。不管是軟件還是硬件項(xiàng)目，達(dá)到一定規(guī)模之后，都要進(jìn)行分層，不分層的話，項(xiàng)目的管理，可擴(kuò)展性等等效率問(wèn)題解決不了。

Zigbee分層

最下面是IEEE802.15.4是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了協(xié)議的物理層和MAC層，再上面是Zigbee的網(wǎng)絡(luò)層Zigbee NWK（network）和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層又分很多模塊，為什么呢？

首先網(wǎng)絡(luò)分層以后，要有加密特性（Security），再往上是一個(gè)Zigbee應(yīng)用支持的子層，在網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間又開(kāi)辟了一個(gè)子層（Zigbee Application Support Subplayer（APS））這個(gè)層起到承上啟下的作用。承上指的是給整個(gè)Zigbee應(yīng)用的框架。

Zigbee會(huì)根據(jù)不同的場(chǎng)景（Application Object），比如智能家居，能源，工業(yè)等等不同的場(chǎng)景，有一個(gè)庫(kù)的概念。

針對(duì)設(shè)備終端的管理，又有單獨(dú)的一個(gè)層，Zigbee Device object。

學(xué)習(xí)Zigbee就是學(xué)些Zigbee層與層之間的實(shí)現(xiàn)，或者說(shuō)掌握層與層之間的交互，只有把各個(gè)功能模塊之間了解清楚，Zigbee才有可能吃透。

IEEE802.15.4協(xié)議

Zigbee學(xué)習(xí)第一個(gè)要搞明白的就是Zigbee的物理層和Mac層，為什么呢？我們學(xué)習(xí)單片機(jī)，其實(shí)就是和硬件打交道，Zigbee通訊也是建立在硬件的基礎(chǔ)之上的，硬件基礎(chǔ)指的就是射頻，要搞清楚這個(gè)無(wú)線射頻到底是怎么來(lái)通訊的。如果說(shuō)底層搞不清的話，應(yīng)用層也是很難理解，因?yàn)樗艹橄蟆?/span>-----所以說(shuō)要搞清楚802.15.4這個(gè)協(xié)議。

Zigbee是由Zigbee聯(lián)盟所主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)，定義了網(wǎng)絡(luò)層，安全層和應(yīng)用層，以及各種應(yīng)用的產(chǎn)品架構(gòu)；而由IEEE所制定的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，則是定義了物理和MAC層。

Zigbee協(xié)議，Zibgee聯(lián)盟和IEEE組織都參與制定。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)分層

下面是MAC層和PHY層，其實(shí)幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都差不多，只是底層的實(shí)現(xiàn)不同。

比如wifi，wifi為什么能跑TCP/IP協(xié)議，wifi的物理層和以太網(wǎng)的物理層是完全不同的，如果沒(méi)有把MAC和物理層分層的話，wifi是沒(méi)有辦法很容易的跑TCP/IP協(xié)議的。有了分層，我們就可以把以太網(wǎng)協(xié)議移植到射頻里面來(lái)。

物理層頻帶參數(shù)

三個(gè)頻段，國(guó)內(nèi)用得最多是2.4Ghz-2.4835Ghz，在2.4G劃分了16個(gè)信道（信道11到信道26），信道與信道的帶寬是5Mhz，信道與wifi信道有交叉（如果應(yīng)用中信號(hào)通訊不穩(wěn)定，可以看下使用的信道是否和wifi相同，被占用比較多）

868MHZ--美國(guó)

915MHZ--歐洲

把數(shù)字信號(hào)變成一個(gè)射頻信號(hào)，涉及到調(diào)制，調(diào)整方式為FSK（頻移鍵控），通過(guò)頻率的變化來(lái)表示我們的0，1信號(hào)，把數(shù)字信號(hào)變?yōu)?a href="http://m.sdkjxy.cn/analog/" target="_blank">模擬信號(hào)。

物理幀格式

前導(dǎo)碼（4字節(jié)）：用于符合同步。

起始分隔符（1字節(jié)）：用于幀同步。

物理頭端（1字節(jié)）：指定了物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元的長(zhǎng)度。

物理服務(wù)單元（<=127字節(jié)）：用于負(fù)載數(shù)據(jù)，與以太網(wǎng)幀相比，屬于低數(shù)據(jù)量。

MAC層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器：

全功能設(shè)備（FFD,Router）：可以支持任何一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以和任何一種設(shè)備進(jìn)行通信，也叫路由節(jié)點(diǎn)

精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）：支持量型結(jié)構(gòu)，不能成為任何協(xié)商者，可以和網(wǎng)絡(luò)協(xié)商者進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)全功能設(shè)備之間相互可以交互，這種組網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景很多，但是這種組網(wǎng)方式對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算能力比較高。因?yàn)樗婧芏嗦酚杀?，或者路由信息，要?fù)載整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理。若其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)壞了，其它節(jié)點(diǎn)如何進(jìn)行組網(wǎng)，如何進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)，這些對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的要求是比較高的。

實(shí)際我們?cè)陧?xiàng)目應(yīng)用當(dāng)中，蔟狀型的網(wǎng)絡(luò)是用得最多的，這樣可以用低成本的處理器就可以構(gòu)建一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)。

幀格式

Mac層幀結(jié)構(gòu)目標(biāo)：用最低復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)多噪聲無(wú)線信道環(huán)境下的可靠傳輸。多噪聲指環(huán)境非常惡劣的情況下，用一個(gè)低復(fù)雜度的算法，實(shí)現(xiàn)可靠的傳輸。

幀組成：

地址格式--16位短地址和64位擴(kuò)展地址。

幀控制字段的內(nèi)容指示地址類型。

幀的類型--信標(biāo)幀，數(shù)據(jù)幀，確認(rèn)幀，MAC命令幀。

理解信標(biāo)幀是非常重要的，在整個(gè)MAC層協(xié)議里面，網(wǎng)絡(luò)管理會(huì)大量的使用信標(biāo)幀。

在IEEE 802.15.4中，可以選用超幀為周期組織LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備間的通信。每個(gè)超幀都以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出信標(biāo)幀開(kāi)始，在信標(biāo)幀中包含了超幀將持續(xù)的時(shí)間以及對(duì)這段時(shí)間的分配等信息。

網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備收到包含超幀結(jié)構(gòu)的信標(biāo)幀后，就可以根據(jù)其中的配置信息安排自己的任務(wù)。

超幀將通信時(shí)間劃分為活躍和不活躍的兩個(gè)部分。

如何通俗理解超幀呢?在協(xié)調(diào)器發(fā)送信標(biāo)幀的時(shí)間段內(nèi)，里面包含一個(gè)超幀，在超幀里面，發(fā)布了上這些消息：競(jìng)爭(zhēng)接入的時(shí)間段（CAP）,非競(jìng)爭(zhēng)接入的時(shí)間段（CFP）,保證時(shí)隙的間隔時(shí)間（GTS）,非活躍的時(shí)間段。

競(jìng)爭(zhēng)接入的時(shí)間段（CAP），什么意思呢？幀里面，包含了時(shí)間戳，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)里面，所有的終端，所有的節(jié)點(diǎn)，在CAP整個(gè)時(shí)間段里面，是允許接入網(wǎng)絡(luò)的。在任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)接入的時(shí)間，第一件事就是要入網(wǎng)，現(xiàn)在規(guī)定了時(shí)間才能入網(wǎng)，并不是設(shè)備在任何時(shí)間都能入網(wǎng)。在CAP采用時(shí)隙CSMA/CA協(xié)議進(jìn)行通信（CSMA:載波沖突檢測(cè)）。

非競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)段（CFP）,就是在這段時(shí)間段內(nèi)，就不需要和別的設(shè)備搶了，當(dāng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的時(shí)候，可以在這段時(shí)間內(nèi)發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求。

保證時(shí)隙的間隔時(shí)間（GTS），在這個(gè)間隔的時(shí)間里面，設(shè)備節(jié)點(diǎn)才能正常的通信。---時(shí)間片

非活躍時(shí)間段，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)里面不允許任何的交互。--靜默時(shí)間

由上可知，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理，協(xié)調(diào)器就是通過(guò)這種信標(biāo)幀超幀的結(jié)構(gòu)，來(lái)管理所有節(jié)點(diǎn)的交互。所以我們?cè)谧鰧?shí)驗(yàn)的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)器不通信了，可以抓包分析看看，這個(gè)協(xié)調(diào)器發(fā)送超幀的時(shí)間是多長(zhǎng)時(shí)間，就能一目了然是為什么。為了保證實(shí)時(shí)性，我們可以把上面這幾個(gè)時(shí)間槽設(shè)置的短一點(diǎn)，周期快一點(diǎn)。為了更低的功耗，我們可以把時(shí)間周期設(shè)得長(zhǎng)一點(diǎn)。

協(xié)調(diào)器為每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能分配一個(gè)時(shí)間槽，叫GTS，那么就需要所有的時(shí)間設(shè)備節(jié)點(diǎn)的時(shí)間都是一樣的（時(shí)間同步）。

在目前zigbee的實(shí)際使用中，是不會(huì)使用信標(biāo)不使能的模式的，因?yàn)椴皇鼓艿那闆r下，網(wǎng)絡(luò)會(huì)非常差，非常不可靠，一般都是信標(biāo)使能的模式。

?

信標(biāo)幀使能通信

信標(biāo)使能通信，類似于TCP/IP的三次握手機(jī)制。當(dāng)協(xié)調(diào)器要發(fā)送數(shù)據(jù)給設(shè)備的時(shí)候，要比設(shè)備發(fā)送給協(xié)調(diào)器要復(fù)雜一點(diǎn)。

在使能信標(biāo)幀網(wǎng)絡(luò)中，是有規(guī)定時(shí)隙的，CFP，CAP，TPS。在信標(biāo)幀中，規(guī)定了在CFP時(shí)間點(diǎn)才能競(jìng)爭(zhēng)入網(wǎng)，在CAP時(shí)間點(diǎn)才能非競(jìng)爭(zhēng)入網(wǎng)通信，在GTS時(shí)間點(diǎn)才能發(fā)送數(shù)據(jù)。

在非使能信標(biāo)幀網(wǎng)絡(luò)中，就是設(shè)備節(jié)點(diǎn)看網(wǎng)絡(luò)中是否有其它設(shè)備節(jié)點(diǎn)來(lái)?yè)屝诺蕾Y源，如果有其它設(shè)備，那本設(shè)備就等一會(huì)兒，這種網(wǎng)絡(luò)會(huì)非常不穩(wěn)定。

NB后退次數(shù)：可以理解為一個(gè)最大值，假設(shè)后退次數(shù)為3時(shí)，我想發(fā)言，第一次發(fā)現(xiàn)有其他人在發(fā)言，我等一會(huì)兒，第二次發(fā)現(xiàn)有人在發(fā)言，我再等一會(huì)兒，第三次發(fā)現(xiàn)還有人在發(fā)言，我就放棄此次發(fā)言。

CW碰撞窗口的長(zhǎng)度：當(dāng)我想發(fā)言的時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)沒(méi)人跟我搶，我謹(jǐn)慎一點(diǎn)，再等一會(huì)兒，發(fā)現(xiàn)還是沒(méi)有人跟我搶，這是我就去發(fā)言。

BE后退指數(shù)：取值范圍為0~5，協(xié)議推薦值為3，最大值為5。

Z-Stack版本

國(guó)內(nèi)用得最多時(shí)候是Z-Stack2.3.1-1.4.0版本（2011），目前商用的版本是Z-Stack 2.5.1a，后面的版本是針對(duì)不同行業(yè)的，如智能家居，照明，能源，Mesh網(wǎng)絡(luò)。我們學(xué)習(xí)Z-Stack，學(xué)習(xí)Z-Stack2.5.1a就比較好。

當(dāng)我們不用51的核，采用ARM的核的時(shí)候，使用協(xié)議Z-STACK-3.0.1

Z-Stack目錄結(jié)構(gòu)

我們學(xué)習(xí)Zigbee，需要了解Z-Stack的整個(gè)目錄，這里面不光包含了Z-Stack的源碼，協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，針對(duì)協(xié)議棧，提供了大量的工具以及說(shuō)明文檔。

第一個(gè)目錄Components包含所有的源碼組件：硬件Hal，Mac層，mt，操作系統(tǒng)抽象層osal，服務(wù)層Services，協(xié)議棧層stack，zmac協(xié)議層。

第二個(gè)目錄Document為官方的說(shuō)明文檔，需要掌握如何去看這些文檔及手冊(cè)。

第三個(gè)目錄Projects為典型的工程案例，已經(jīng)寫(xiě)好的應(yīng)用代碼。

第四個(gè)目錄Tools為一些上位機(jī)工具。

OSAL操作系統(tǒng)抽象層

OSAL操作系統(tǒng)抽象層如何實(shí)現(xiàn)多任務(wù)

任務(wù)調(diào)度：多任務(wù)的實(shí)現(xiàn)

時(shí)間管理：軟件定時(shí)器

原與通信：任務(wù)與任務(wù)之間的通信，類似于操作系統(tǒng)的消息隊(duì)列

OSAL為什么會(huì)應(yīng)用到Zigbee呢，因?yàn)樗谫Y源非常少的硬件上，比如51單片機(jī)，可以跑一個(gè)操作系統(tǒng)的雛形，通過(guò)非常低成本的資源去實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的功能?？梢灾?/span>Zigbee-Stack的代碼量非常多，這么多的功能和代碼量，就是通過(guò)OSAL這樣一個(gè)類操作系統(tǒng)來(lái)管理的。OSAL可以提供多任務(wù)的調(diào)度，任務(wù)間的通信，還包括時(shí)間管理。

任務(wù)的調(diào)度是通過(guò)一個(gè)單向鏈表來(lái)實(shí)現(xiàn)的。OSAL通過(guò)一個(gè)輪詢的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)類操作系統(tǒng)，沒(méi)有搶占的概念。

歡迎關(guān)注“硬件工程師煉成之路”，獲取更多硬件相關(guān)資料，