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【ZigBee技术解析】ZigBee设备功能全面分析




ZigBee协议分享系列第二集

上期我们分享了ZigBee协议栈的结构和层级,本期我们来讲解ZigBee设备的类型及其功能、ZigBee网络拓扑规划、ZigBee应用层功能和协议以及ZigBee安全性中的ZigBee设备类型及其功能。

一、ZigBee设备

Zigbee设备类型主要分为三种,分别是协调器、路由器以及终端。

1.1、Zigbee协调器

协调器是Zigbee网络的核心组件,负责创建和初始化新的Zigbee网络。Zigbee网络协调器具有最高的权限,并且始终处于活动状态。协调器的职责包括:

1、发起并管理网络的建立过程并分配网络地址给新加入的设备。

2、维护网络的安全性和稳定性。

3、提供与其他无线标准如Wi-Fi或以太网等上层网络的桥接功能。

1.2、Zigbee路由器

其次,路由器节点在Zigbee网络中承担数据转发的角色,它们不仅能够发送和接收信息,还能作为中间节点传递其他设备的数据包。主要负责扩展网络覆盖范围,通过多跳通信方式将消息路由到目标节点或者其他的路由器,能够辅助协调器管理网络,允许其他设备加入或离开网络,并分配地址。还能记录与之直接连接的设备的状态,以便进行有效的路由选择。

1.3、Zigbee终端

终端设备通常是网络中的叶子节点,它们主要用于收集数据或控制外部环境,例如传感器或执行器。终端只能与父节点(可能是协调器或路由器)通信,不能直接与其他终端设备通信(除非网络中有路由功能支持)并且大部分时间处于休眠状态,只在需要发送或接收数据时唤醒,存储资源和计算能力相对较弱。

二、ZigBee网络讲解

我们再来说一说Zigbee网络的范围和扩展性。由于Zigbee网络的物理范围受限于其使用的频段、发射功率以及设备之间的信号衰减情况。在理想条件下,室内环境中单跳距离可以达到几十米至几百米,室外开阔地则可更远。在实际运用中可能需要覆盖较大范围,因此ZigBee网络可以通过增加路由器节点来扩大覆盖面积和容纳更多设备。每增加一个路由器,理论上都可以进一步扩展网络边缘,并允许更多的终端设备接入。实现设备的加入、路由和离网等功能。

2.1、ZigBee网络中是如何实现设备入网、路由和离网的呢?

首先协调器启动网络建立过程,设定网络ID(PAN ID)、通道、网络密钥等参数,通过广播“Beacon”帧宣告网络的存在,并开启一段时间的“Permit Joining”模式,允许其他设备加入网络。终端设备会在所有信道上搜索协调器发送的Beacon帧,当搜索到来自协调器的Beacon帧后,会向相应的协调器发送Association Request帧来请求加入网络。这个请求通常包含想要加入的网络的标识信息(如PAN ID)以及设备希望获得的网络地址。当协调器接收到来自终端的Association Request帧后,进行一系列的安全验证,并在认证成功后给终端设备分配一个“网络唯一地址”并通过Association Response帧告诉终端设备“入网认证成功,你可以和网络中的设备进行通信了”。

ZigBee协议还允许同一网络中进行数据包的路由,以实现数据的远距离传输。在传输数据时,节点首先检查目标设备是否在直接通信范围内(一跳可达)。如果是,则直接发送数据;否则就查询其本地路由表,寻找通往目标设备的最佳路径,当路由节点收到RREP信息时,路由节点将数据转发给下一跳设备。每跳设备都将重复这个过程,直到数据抵达目标设备。有入网就需要离网,当设备决定离开网络时,会向会向其父节点(通常是路由器或协调器)发送离开网络的命令。父节点接收到离网请求并进行处理后,会向该设备发送一个确认消息,确认其即将离开网络。父节点在确认设备离网后,会释放该设备在网络中的地址,并更新其路由表,删除与该设备相关的路由信息。如果离网的是路由器设备,其相连的子节点需要重新寻址和选择新的父节点。

在完成上述步骤后,设备正式脱离网络,停止与网络中的其他设备通信,并可能进入休眠模式以节省电量。离网动作完成后,网络管理层(如网络服务器)会获知设备离网的情况,并据此更新其维护的网络状态信息,同时向上层应用通知设备已经离网。

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