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作為一個硬件從業人員，雖然不是從事物理網行業的，但是多少得了解一些，以下是筆者最近學習Zigbee的筆記，包含了Zigbee基本知識，正確的學習方法。
Zigbee無線傳感網絡
先搞清楚IEEE802.15.4協議。
這個協議必須搞清楚，搞不定這個協議，Zigbee永遠吃不透。其實學習這個很簡單，如果學過TCP/ip的話，大家知道，我們要去掌握整個tcp/ip核心的話，我們要掌握以太網底層的一些協議，比如我們做驅動，我們做開發，如果說不懂的話，是沒有辦法做項目的，更直白一點，沒法在工作中去解決實際的問題。對于老板來說，老板招人過來，就是要解決問題的，如果沒有解決問題的能力，那在職場中是沒有競爭力的。
ZIGBEE是什么？
在傳統的無線網絡當中，大家耳熟能詳的就是兩種，藍牙和wifi。在物聯網的世界，也存在物與物之間存在信息溝通的橋梁，也是通過無線技術，最經典的就是ZIGBEE技術，還有ZWAVE技術，不過ZWAVE在中國還是用得很少的。
為什么要引入zigbee呢？
有了Zigbee之后，全球才有了一個物聯網的概念，Zigbee號稱我們商用的第一個無線傳感網絡。
到目前為止，無論是國內還是全球，Zigbee是商用最多的，Zigbee做出來的產品是很多的，在國內，最典型的Zigbee應用是在智能家居領域，目前在國內推出的只能家居，絕對是Zigbee，為什么呢？
zigbee出來比較早，大概是在03年，Zigbee整個協議的這個技術現在變得很成熟。真正可商用化的產品，一定會選一個成熟的技術方案。
Zigbee能夠干什么?
Zigbee主要用于構建無線局域網，如果這個無線局域網用于傳感器的數據收集和監控，這個網絡就叫做無線傳感器網絡（WSN:Wirelss Sensor Network），是無線局域網的具體應用。
Zigbee是屬于無線傳感網絡的一種。
圖中Sink node叫做集中器，負責整個Zigbee網絡的管理和接入的，同時還負責和外圍交互，可以和PC，互聯網進行連接。
單純的一個Zigbee是沒有實際的應用場景的，現在使用的各種的物聯網終端，最起碼有一個app，需要用來觀看無線傳感網絡中的信息，需要保證這個Sink node接入到我們的物聯網當中來。
Zigbee特點
低功耗：6個月-2年，為什么是一個比較大的范圍呢？任何一個低功耗的傳感網絡，首先需要問工作方式是什么，比如多長時間獲取一次數據，多長時間發送一次數據，才能得到具體的使用時間。
高可靠性：用tcp/ip來解釋，在tcp/ip協議中，有兩種經典協議，TCP和UDP，一個是面向連接的，一個是無連接的，一個是可靠傳輸的，一個是不可靠傳輸的。無線連接本身存在不可靠性，zigbee針對這個做了一些高可靠性的機制。
低成本：開源，免專利費
碰撞避免機制，交互確認的機制，保證可靠通信
低延時：設備搜索時延30ms，休眠激活時延典型值是15ms，活動設備信道接入時延為15ms
低數據量：Zigbee每個網絡模塊射頻前端的數據傳輸為250kbps
網絡容量大：Zigbee可以采用星形，樹形，網形的結構組網，而且可以通過任一節點組成更大的網絡結構，從理論上講，其可連接的節點多達65535個，其實就是一個16bit的數。實際應用中并沒有這么多，實際受限于硬件資源。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點，是否能夠管理。
高保密性：Zigbee提供了基于循環冗余校驗（CRC)的數據包完整性檢驗和鑒權的功能，加密算法采用AES-128，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性。----所有的無線傳輸，都是通過一個射頻的物理通道，任何人都可以利用zigbee協議開放特性，通過射頻芯片發送數據包。但是與互聯網一樣，我們訪問網站的時候，為什么要用https，是因為安全機制，個人網絡不希望被人攻擊，這個時候需要考慮網絡的健壯性，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發性：由于Zigbee標準協議，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，互相通信將不是問題。
Zigbee學習模式
單片機+Zigbee=學習模式
只花20%的實際學習單片機的外設，編程。要花80%的時間放在Zigbee協議棧。只有這樣才能用Zigbee來做項目，但是很多書籍都是大篇介紹單片機的使用，各種外設的使用。
學Zigbee其實學的是網絡編程。Zigbee的代碼量其實是挺大的，不要一上來就分析代碼，要明白整個協議的設計，才能明白代碼，才能讀懂代碼。
抓包分析：如果沒有抓包能力，傳輸的數據就沒法知道是上面什么意思，當網絡不通的時候就沒法分析。如果掌握抓包能力，發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聯盟
Zigbee協議標準的一個協會。
Zigbee硬件平臺
TI，Jennic，Silicon Labs
不同廠家都有自己硬件上的芯片，都有自己軟件的協議棧。
Zigbee協議棧
Zigbee協議實現的代碼庫
Zigbee協議棧，有一個分層的概念。不管是軟件還是硬件項目，達到一定規模之后，都要進行分層，不分層的話，項目的管理，可擴展性等等效率問題解決不了。
Zigbee分層
最下面是IEEE802.15.4是一個標準，它規定了協議的物理層和MAC層，再上面是Zigbee的網絡層Zigbee NWK（network）和應用層。網絡層和應用層又分很多模塊，為什么呢？
首先網絡分層以后，要有加密特性（Security），再往上是一個Zigbee應用支持的子層，在網絡層和應用層之間又開辟了一個子層（Zigbee Application Support Subplayer（APS））這個層起到承上啟下的作用。承上指的是給整個Zigbee應用的框架。
Zigbee會根據不同的場景（Application Object），比如智能家居，能源，工業等等不同的場景，有一個庫的概念。
針對設備終端的管理，又有單獨的一個層，Zigbee Device object。
學習Zigbee就是學些Zigbee層與層之間的實現，或者說掌握層與層之間的交互，只有把各個功能模塊之間了解清楚，Zigbee才有可能吃透。
IEEE802.15.4協議
Zigbee學習第一個要搞明白的就是Zigbee的物理層和Mac層，為什么呢？我們學習單片機，其實就是和硬件打交道，Zigbee通訊也是建立在硬件的基礎之上的，硬件基礎指的就是射頻，要搞清楚這個無線射頻到底是怎么來通訊的。如果說底層搞不清的話，應用層也是很難理解，因為它很抽象。-----所以說要搞清楚802.15.4這個協議。
Zigbee是由Zigbee聯盟所主導的標準，定義了網絡層，安全層和應用層，以及各種應用的產品架構；而由IEEE所制定的802.15.4標準，則是定義了物理和MAC層。
Zigbee協議，Zibgee聯盟和IEEE組織都參與制定。
Zigbee網絡分層
下面是MAC層和PHY層，其實幾個網絡協議都差不多，只是底層的實現不同。
比如wifi，wifi為什么能跑TCP/IP協議，wifi的物理層和以太網的物理層是完全不同的，如果沒有把MAC和物理層分層的話，wifi是沒有辦法很容易的跑TCP/IP協議的。有了分層，我們就可以把以太網協議移植到射頻里面來。
物理層頻帶參數
三個頻段，國內用得最多是2.4Ghz-2.4835Ghz，在2.4G劃分了16個信道（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（如果應用中信號通訊不穩定，可以看下使用的信道是否和wifi相同，被占用比較多）
868MHZ--美國
915MHZ--歐洲
把數字信號變成一個射頻信號，涉及到調制，調整方式為FSK（頻移鍵控），通過頻率的變化來表示我們的0，1信號，把數字信號變為模擬信號。
物理幀格式
前導碼（4字節）：用于符合同步。
起始分隔符（1字節）：用于幀同步。
物理頭端（1字節）：指定了物理服務數據單元的長度。
物理服務單元（<=127字節）：用于負載數據，與以太網幀相比，屬于低數據量。
MAC層網絡拓撲結構
網絡協調器：
全功能設備（FFD,Router）：可以支持任何一種拓撲結構，可以作為網絡協商者和普通協商者，并且可以和任何一種設備進行通信，也叫路由節點
精簡功能設備（RFD）：支持量型結構，不能成為任何協商者，可以和網絡協商者進行通信，實現簡單。
網狀型結構全功能設備之間相互可以交互，這種組網的應用場景很多，但是這種組網方式對單個節點的運算能力比較高。因為它要存很多路由表，或者路由信息，要負載整個網絡的管理。若其中一個節點壞了，其它節點如何進行組網，如何進行網絡恢復，這些對單個節點的要求是比較高的。
實際我們在項目應用當中，蔟狀型的網絡是用得最多的，這樣可以用低成本的處理器就可以構建一個zigbee網絡。
幀格式
Mac層幀結構目標：用最低復雜度實現多噪聲無線信道環境下的可靠傳輸。多噪聲指環境非常惡劣的情況下，用一個低復雜度的算法，實現可靠的傳輸。
幀組成：
地址格式--16位短地址和64位擴展地址。
幀控制字段的內容指示地址類型。
幀的類型--信標幀，數據幀，確認幀，MAC命令幀。
理解信標幀是非常重要的，在整個MAC層協議里面，網絡管理會大量的使用信標幀。
在IEEE 802.15.4中，可以選用超幀為周期組織LR-WPAN網絡內設備間的通信。每個超幀都以網絡協調器發出信標幀開始，在信標幀中包含了超幀將持續的時間以及對這段時間的分配等信息。
網絡中的普通設備收到包含超幀結構的信標幀后，就可以根據其中的配置信息安排自己的任務。
超幀將通信時間劃分為活躍和不活躍的兩個部分。
如何通俗理解超幀呢?在協調器發送信標幀的時間段內，里面包含一個超幀，在超幀里面，發布了上這些消息：競爭接入的時間段（CAP）,非競爭接入的時間段（CFP）,保證時隙的間隔時間（GTS）,非活躍的時間段。
競爭接入的時間段（CAP），什么意思呢？幀里面，包含了時間戳，在整個網絡里面，所有的終端，所有的節點，在CAP整個時間段里面，是允許接入網絡的。在任何一個節點接入的時間，第一件事就是要入網，現在規定了時間才能入網，并不是設備在任何時間都能入網。在CAP采用時隙CSMA/CA協議進行通信（CSMA:載波沖突檢測）。
非競爭接入時段（CFP）,就是在這段時間段內，就不需要和別的設備搶了，當設備節點入網的時候，可以在這段時間內發送入網請求。
保證時隙的間隔時間（GTS），在這個間隔的時間里面，設備節點才能正常的通信。---時間片
非活躍時間段，在這個時間內，整個網絡里面不允許任何的交互。--靜默時間
由上可知，整個網絡的管理，協調器就是通過這種信標幀超幀的結構，來管理所有節點的交互。所以我們在做實驗的時候，如果發現協調器不通信了，可以抓包分析看看，這個協調器發送超幀的時間是多長時間，就能一目了然是為什么。為了保證實時性，我們可以把上面這幾個時間槽設置的短一點，周期快一點。為了更低的功耗，我們可以把時間周期設得長一點。
協調器為每一個節點都能分配一個時間槽，叫GTS，那么就需要所有的時間設備節點的時間都是一樣的（時間同步）。
在目前zigbee的實際使用中，是不會使用信標不使能的模式的，因為不使能的情況下，網絡會非常差，非常不可靠，一般都是信標使能的模式。
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信標幀使能通信
信標使能通信，類似于TCP/IP的三次握手機制。當協調器要發送數據給設備的時候，要比設備發送給協調器要復雜一點。
在使能信標幀網絡中，是有規定時隙的，CFP，CAP，TPS。在信標幀中，規定了在CFP時間點才能競爭入網，在CAP時間點才能非競爭入網通信，在GTS時間點才能發送數據。
在非使能信標幀網絡中，就是設備節點看網絡中是否有其它設備節點來搶信道資源，如果有其它設備，那本設備就等一會兒，這種網絡會非常不穩定。
NB后退次數：可以理解為一個最大值，假設后退次數為3時，我想發言，第一次發現有其他人在發言，我等一會兒，第二次發現有人在發言，我再等一會兒，第三次發現還有人在發言，我就放棄此次發言。
CW碰撞窗口的長度：當我想發言的時候，我發現沒人跟我搶，我謹慎一點，再等一會兒，發現還是沒有人跟我搶，這是我就去發言。
BE后退指數：取值范圍為0~5，協議推薦值為3，最大值為5。
Z-Stack版本
國內用得最多時候是Z-Stack2.3.1-1.4.0版本（2011），目前商用的版本是Z-Stack 2.5.1a，后面的版本是針對不同行業的，如智能家居，照明，能源，Mesh網絡。我們學習Z-Stack，學習Z-Stack2.5.1a就比較好。
當我們不用51的核，采用ARM的核的時候，使用協議Z-STACK-3.0.1
Z-Stack目錄結構
我們學習Zigbee，需要了解Z-Stack的整個目錄，這里面不光包含了Z-Stack的源碼，協議的實現，同時，針對協議棧，提供了大量的工具以及說明文檔。
第一個目錄Components包含所有的源碼組件：硬件Hal，Mac層，mt，操作系統抽象層osal，服務層Services，協議棧層stack，zmac協議層。
第二個目錄Document為官方的說明文檔，需要掌握如何去看這些文檔及手冊。
第三個目錄Projects為典型的工程案例，已經寫好的應用代碼。
第四個目錄Tools為一些上位機工具。
OSAL操作系統抽象層
OSAL操作系統抽象層如何實現多任務
任務調度：多任務的實現
時間管理：軟件定時器
原與通信：任務與任務之間的通信，類似于操作系統的消息隊列
OSAL為什么會應用到Zigbee呢，因為它在資源非常少的硬件上，比如51單片機，可以跑一個操作系統的雛形，通過非常低成本的資源去實現一些復雜的功能。可以知道Zigbee-Stack的代碼量非常多，這么多的功能和代碼量，就是通過OSAL這樣一個類操作系統來管理的。OSAL可以提供多任務的調度，任務間的通信，還包括時間管理。
任務的調度是通過一個單向鏈表來實現的。OSAL通過一個輪詢的機制來實現一個類操作系統，沒有搶占的概念。
工商網監
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