开发者学习笔记【阿里云物联网助理工程师认证（ACA）：短距无线网络技术及常用场景（三）】
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短距无线网络技术及常用场景（三）
十一．ZigBee通信协议站
ZigBee通信协议站总共分为四层，最下面一层是物理层，往上是MAC层，即介质接入控制子层，再往上是ZigBee网络层，最上层是ZigBee应用层，底层的MAC层和物理层是由IEEE802.15.4规定的，四层ZigBee通信协议站是由ZigBee联盟设计的。
物理层IEEE 802.15.4提供了两个物理层，一个是2.4GHz物理层，另外一个是868/915MHz赫兹的物理层。也就是ZigBee可以在三个平台上面进行通信，虽然通信的时候可以选择不同的频带进行通信，但是他们共享同一个基本的包真结构，具有较小的执行周期和功率消耗。2.4GHz物理层规定运行在2.4G赫兹的工业、科学、医学频带上面，这是一个无许可证频带，在世界各地都可以得到使用，但是该频带存在信号共存的干扰问题，因为这是一个无许可证频带，大家都可以用，其他设备也可以用，大家用的时候都在同一个频带上传输数据，就会存在信号干扰问题，然而868/915MHz物理层在欧洲运行是在868MHz频带上。
在美国是运行在915MHz ISM平台上面，这两个频带没有其他标准的运行干扰，并且运行损耗比较低。物离层分为三个频带，共有27个频率信道，像868/915MHz物理层在868.0-868.6MHz支持一个信道，这个信道编号为零，在902.0-928.0NHz支持十个信道，这十个信道编号分别为1到11号信道。由于这两个频道受不同地域的支持，像刚才说的在欧洲是868MHz，在美国是915MHz，所以在单一网络中不可能全部使用11个信道。
另外这两个频带的特征十分接近，所以它的硬件设计也十分相似，可以实现硬件共享来降低它的制造成本，而2.4GHz的物理层在2.4-2.4834G赫置，共支持16个信道，他的信道编号是从12-27号进行编号，每个信道的频带带宽可以达到5GHz，易于满足发射和接收滤波器的设计要求。
2.4GHz的物理层提供的传输速率是250KB/s，而868/915MHz的物理层两段频带分别提供20KB/s和40KB/s的传输速率，868提供的是80KB/s，915提供的是40KB/s的传播速率。他的主要任务是启动和关闭IF收发器，第二个是信道能量检测，第三个是被接收到的数据报进行链路质量指示，第四个是为CS maca算法提供空闲信道评估，第五个是对通信信道频率进行选择，第六个是对数据包进行发送和接收。
在IEEE 802.15.4的MAC层中引入了超声结构和线标征的概念，这两个概念的引入极大的方便了网络的管理，我们可以选择以超帧为周期，组织lr pen网络内设备间的通信。每个超帧都以网络协调器发出信标帧为持，在这个信标征中包含了超帧将持续的时间以及对这段时间的封闭的信息。
网络端的普通设备接收到超帧开始时的线标帧后，就可以根据其中的内容安排自己的任务，例如进入休眠状态，直到这个超帧结束。MAC子层主要提供两种服务，一种是MAC层数据服务，还有一种是MAC层管理服务。MAC层数据服务主要是保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，MAC层管理服务它主要是维护一个存储MAC和组成协议相关信息的数据库。
网络层需要在功能上与IEEE 802.15.4标准兼容，同时也需要向上层提供合适的功能接口，上层是应用层，ZigBee网络层主要完成和提供的功能有如下一些功能：
第一个是产生网络层的数据包，当网络层接收到来自应用层的数据包的时候，网络层要对数据包进行解析，然后在数据包上添加适当的网络层数据头，再向MAC层传递。
第二个功能是网络top路由功能，网络层提供路由数据包的功能，如果包的目的节点是本节点的话，那么就将该数据包向应用层发送，如果不是，就将数据包转发给路由表的下一个节点。
第三个是配置新的器件参数，网络层能够配置合适的协议，比如建立新的协调器并发起建立网络，或者加入一个已有的网络。
第四个是建立pan网接入或者脱离pan网，
第五个是分配网络地址，如果本节点是协调器或者路由器，那么接入该节点的其它节点的地址就由网络层来控制。
第六个功能是邻居节点的发现，它能够发现并维护网络邻居的信息。第七个是建立路由功能。
第八个是能控制接收器的接收时间和状态。
ZigBee应用层主要包含三大方面：
第一个方面是应用支持子层aps，
第二个是应用框架af，
第三个是ZigBee设备对象zbo，
他们共同为各应用开发者提供统一的接口。
十二．ZigBee通信技术特点
低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6~24个月，也就是半年到两年的时间，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较，普通蓝牙能工作数周、Wi-Fi可工作数小时。
低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求 ，并且ZigBee免协议装专利费每个ZigBee芯片的价格大概在两美元左右，随着市场的需求和进步，价格是越来越低的。
低速率。在2.4MHz频带下提供250kbps的速度、915MHz下面提供40kbps，868 MHz下面提供20kbps的数据传播速度，满足低速率传输数据的应用需求。
远距离。传输范围一般介于10~100m之间，在增加发射功率后，亦可增加到1~3km。这指的是ZigBee相邻节点间的距离。如果ZigBee通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
可靠。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定宽带的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突;节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。假如某个节点坏了，数据可以选择另外一条路进行通信。
短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms。相比较，蓝牙需要3~10s，Wi-Fi需要3s。
高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。
高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括安全设定、使用访问控制清单(Access ControlListACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。
免执照频段。使用工业科学医疗(ISM)频段，915MHz(美国)，868MHz(欧洲),2.4GHz(全球)。ZigBee在这三个频段通信的时候是不需要执照的，可以直接进行通信。
十三．ZigBee通信技术常用场景
智能家居，在智能家具里面每一个家电设备都可以设计成一个ZigBee节点。通过ZigBee协调器和ZigBee节点组成局域网，局域网中的数据通过物联网网关接入互联网，这样，ZigBee组建的局域网内的智能家居数据就可以上传到物联网平台或者数据应用中心，再由物联网平台或者数据应用中心推送到其他应用终端。客户端等设备下发的执行命令经过互联网，通过物联网网关，再经ZigBee协调器下发给ZigBee节点，从而控制家居家电。
无线抄表系统，ZigBee节点采集水电煤表数据，经过ZigBee中心节点，通过GPRS/CDMA发送给集抄中心，这样就省去了大量的人力抄表。
交通控制。在交通的每一个设备上面，都可以把它设计成ZigBee节点，比如交通信号灯、可变标志、车检仪器、感应线圈等。ZigBee节点连接到路口的控制机里面及ZigBee中心节点、ZigBee中心节点的数据再通过网络将数据发送到物联网应用平台或者其他的应用数据中心来对数据进行处理，达到对交通的智能化管理，这样的形式无需挖路来布设控制线路，各个设备之间都是通过无线自动组网连接，这样既降低了系统安装成本，避免了传统的安装方式对交通干扰所带来的经济损失，比如布线的时候需要挖路，大家挤在一起走会造成交通堵塞，也容易造成交通安全事故，并且这样的方式也避免了后续城市发展道路拓展变化对原有预埋管线的干扰。不需要对原来的管线进行重新布置，直接通过无线的方式就可以组建新的交通管理网络。
十四．本节知识总结
本节课主要是讲了三个方面内容：
第一方面是WiFi通信技术及常用场景
第二个是BLE通信技术及常用场景，BLE就是低功耗蓝牙
第三个是ZigBee通信技术及常用场景
随堂思考：
1.WiFi的工作频段？
WiFi的工作频段有两个，一个是2.4GHz，另外一个是5GHz。
2. ZigBee的三级安全模式是哪三级？
第一级是安全设定，第二级是使用访问控制清单来防止非法获取数据，第三级是采用高级加密标准BES128的对称密码。
3. 你还知道哪些短距无线网络技术？
除了上述所说的WiFi、BLE、ZigBee，还有测频识别技术，简称fid和超宽带UWB这些无线网络技术。
