ZigBe入门之基础概念二
ZigBe入门之基础概念2
设备类型
1.协调器 具备协调功能、路由功能
2.路由器 具备路由功能
3.终端设备 空
Note.一个网络当中，只有且必须有一个协调器，可以有多个路由器，也可以有多个终端设备
协调器负责启动整个网络。它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信道（2.4G一共有16个信道）和一个网络
ID(也称之为 PAN ID，即 Personal Area Network ID：个人局域网ID号)，随后启动整个网络。协调器也可以用来协
助建立网络中安全层和应用层的绑定(bindings)。协调器功能很强大。
注意，协调器的角色主要涉及网络的启动和配臵。一旦这些都完成后，协调器的工作就像
一个路由器(或者消失 go away)。由于 ZigBee 网络本身的分布特性，因此接下来整个网络的操
作就不在依赖协调器是否存在。
路由器的功能主要是：允许其他设备加入网络，多跳路由（信号中转和中继）和协助它自己的由电池供电的终
端设备的通讯。
通常，路由器希望是一直处于活动状态，因此它必须使用主电源供电。但是当使用树状网
络拓扑结构时，允许路由间隔一定的周期操作一次，这样就可以使用电池给其供电。
终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以可以是一个
电池供电设备。通常，终端设备对存储空间(特别是 RAM 的需要)比较小。
协议栈规范（ Stack Profile）
协议栈规范由 ZigBee 联盟定义指定。在同一个网络中的设备必须符合同一个协议栈规范
（同一个网络中所有设备的协议栈规范必须一致） 。
ZigBee 联盟为 ZigBee 协议栈 2007 定义了 2 个规范：ZigBee 和 ZigBee PRO。所有的设备只
要遵循该规范，即使在不同厂商买的不同设备同样可以形成网络。
如果应用开发者改变了规范， 那么他的产品将不能与遵循 ZigBee 联盟定义规范的产品组成
网络，也就是说该开发者开发的产品具有特殊性，我们称之为“关闭的网络” ，也就是说它的
设备只有在自己的产品中使用，不能与其他产品通信。更改后的规范可以称之为“特定网络”
规范。
协议栈规范的 ID 号可以通过查询设备发送的 beacon（信标） 帧获得。在设备加入网络之前，首先
需要确认协议栈规范的 ID。 “特定网络” 规范 ID 号为 0； ZigBee 协议栈规范的 ID 号为 1； ZigBee
PRO 协议栈规范的 ID 号为 2。协议栈规范的 ID（STACK_PROFILE_ID）在 nwk_globals.h 中
拓扑结构
ZigBee 网络支持星状、 树状和网状三种网络拓扑结构， 如下图所示， 分别依次是星状网络，
树（簇）状网络和网状网络
星状网络由一个 PAN 协调器和多个终端设备组成，只存在 PAN 协调器与终端的通讯，
终端设备间的通讯都需通过 PAN 协调器的转发。
树状网络由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成，设备除了能与自己的父节点或子
节点进行点对点直接通讯外，其他只能通过树状路由完成消息传输。
网状网络是树状网络基础上实现的，与树状网络不同的是，它允许网络中所有具有路由功
能的节点直接互连，由路由器中的路由表实现消息的网状路由。该拓扑的优点是减少了消息延
时，增强了可靠性，缺点是需要更多的存储空间开销。
在 Z-Stack 中网络拓扑结构定义如下：
信标与非信标模式
ZigBee 网络的工作模式可以分为信标（Beaeon）和非信标（Non-beaeon）两种模式。信标
模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度的功耗节省，而非信标模
式则只允许终端设备进行周期性休眠，协调器 和所有路由器 设备必须长期处于工作状态。
信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间（一般在 15ms-4mins 之间）向网络广播信标
帧，两个信标帧发送间隔之间有 16 个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两
个部分，消息只能在网络活动区的各时槽内发送。
非信标模式下， ZigBee 标准采用父节点为终端设备子节点缓存数据， 终端设备主动向其父
节点提取数据的机制，实现终端设备的周期性（周期可设臵）休眠。网络中所有父节点需为自
己的终端设备子节点缓存数据帧，所有终端设备子节点的大多数时间都处于休眠模式，周期性
的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要
15ms。（一般采用非信标模式）
地址
地址定义
ZigBee 设备有两种类型的地址。一种是 64 位 IEEE 地址（全球唯一，制造商生产时就分配好），即 MAC 地址，另一种是 16 位
网络地址（协调器在建立网络时，对其他设备进行网络地址分配）。
网络 地址 分配
ZigBee2006 和 ZigBee 2007 使用分布式寻址方案来分配网络地址。ZigBee 2007 PRO 使用的随机地址分配机制。
分布式寻址方案保证在整个网络中所有分配的地址是唯一的。这一点是必须的，因为这样才能保证一个特定的数据包能够发
给它指定的设备，而不出现混乱。同时，这个寻址算法本身的分布特性保证设备只能与他的父
辈设备通讯来接受一个网络地址。不需要整个网络范围内通讯的地址分配，这有助于网络的可
测量性。
ZigBee 2007 PRO 使用的随机地址分配机制，对新加入的节点使用随机地址分配，为保证
网络内地址分配不重复，使用其余的随机地址再进行分配。当一个节点加入时，将接收到父节
点的随机分配地址，然后产生“设备声明” （包含分配到的网络地址和 IEEE 地址）发送至网
络中的其余节点。如果另一个节点有着同样的网络地址，则通过路由器广播“网络状态-地址
冲突”至网络中的所有节点。所有发生网络地址冲突的节点更改自己的网络地址，然后再发起
“设备声明”检测新的网络地址是否冲突。
寻址
为了向一个在 ZigBee 网络中的设备发送数据，应用程序通常使用 AF_DataRequest()函数。
数据包将要发送给一个 afAddrType_t(在 ZComDef.h 中定义)类型的目标设备。
注意，除了网路地址之外，还要指定地址模式参数。目的地址模式可以设臵为以下几个值：
因为在 Zigbee 中，数据包可以单点传送(unicast)（从一个设备发到另一个设备），多点传送(multicast)
（发到group里的所有成员）或者广播传送（发给所有的成员），所以
必须有地址模式参数。一个单点传送数据包只发送给一个设备，多点传送数据包则要传送给一
组设备，而广播数据包则要发送给整个网络的所有节点。这个将在下面详细解释。
单点传送(Unicast)
Uicast 是标准寻址模式，它将数据包发送给一个已经知道网络地址的网络设备。将
afAddrMode 设臵为 Addr16Bit 并且在数据包中携带目标设备地址。
间接传送(Indirect)
当应用程序不知道数据包的目标设备在哪里的时候使用的模式。将模式设臵为
AddrNotPresent并且目标地址没有指定。 取代它的是从发送设备的栈的绑定表中查找目标设备。
这种特点称之为源绑定。
当数据向下发送到达栈中，从绑定表中查找并且使用该目标地址。这样，数据包将被处理
成为一个标准的单点传送数据包。如果在绑定表中找到多个设备，则向每个设备都发送一个数
据包的拷贝。
广播传送(broadcast)
当应用程序需要将数据包发送给网络的每一个设备时，使用这种模式。地址模式设臵为
AddrBroadcast。目标地址可以设臵为下面广播地址的一种：
NWK_BROADCAST_SHORTADDR_DEVALL(0xFFFF)——数据包将被传送到网络上的所有设
备，包括睡眠中的设备。对于睡眠中的设备，数据包将被保留在其父亲节点直到查询到它，或
者消息超时(NWK_INDIRECT_MSG_TIMEOUT 在 f8wConifg.cfg 中)。
NWK_BROADCAST_SHORTADDR_DEVRXON(0xFFFD)——数据包将被传送到网络上的所
有在空闲时打开接收的设备(RXONWHENIDLE)，也就是说，除了睡眠中的所有设备。
NWK_BROADCAST_SHORTADDR_DEVZCZR(0xFFFC)——数据包发送给所有的路由器，包
括协调器。
组寻址(Group Addressing)
当应用程序需要将数据包发送给网络上的一组设备时，使用该模式。地址模式设臵为
afAddrGroup 并且 addr.shortAddr 设臵为组 ID。
在使用这个功能呢之前，必须在网络中定义组。(参见 Z-stack API 文档中的 aps_AddGroup()函
数)。
注意组可以用来关联间接寻址。 再绑定表中找到的目标地址可能是是单点传送或者是一个组地
址。另外，广播发送可以看做是一个组寻址的特例。
下面的代码是一个设备怎样加入到一个 ID 为 1 的组当中：
重要设备地址 (Important Device Ad dr esses)
应用程序可能需要知道它的设备地址和父亲地址。 使用下面的函数获取设备地址(在 ZStack
API 中定义)：
NLME_GetShortAddr()——返回本设备的 16 位网络地址
NLME_GetExtAddr()—— 返回本设备的 64 位扩展地址
使用下面的函数获取该设备的父亲设备的地址：
NLME_GetCoordShortAddr()——返回本设备的父亲设备的 16 位网络地址
NLME_GetCoordExtAddr()—— 返回本设备的父亲设备的 64 位扩展地址
设备类型
1.协调器 具备协调功能、路由功能
2.路由器 具备路由功能
3.终端设备 空
Note.一个网络当中，只有且必须有一个协调器，可以有多个路由器，也可以有多个终端设备
协调器负责启动整个网络。它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信道（2.4G一共有16个信道）和一个网络
ID(也称之为 PAN ID，即 Personal Area Network ID：个人局域网ID号)，随后启动整个网络。协调器也可以用来协
助建立网络中安全层和应用层的绑定(bindings)。协调器功能很强大。
注意，协调器的角色主要涉及网络的启动和配臵。一旦这些都完成后，协调器的工作就像
一个路由器(或者消失 go away)。由于 ZigBee 网络本身的分布特性，因此接下来整个网络的操
作就不在依赖协调器是否存在。
路由器的功能主要是：允许其他设备加入网络，多跳路由（信号中转和中继）和协助它自己的由电池供电的终
端设备的通讯。
通常，路由器希望是一直处于活动状态，因此它必须使用主电源供电。但是当使用树状网
络拓扑结构时，允许路由间隔一定的周期操作一次，这样就可以使用电池给其供电。
终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以可以是一个
电池供电设备。通常，终端设备对存储空间(特别是 RAM 的需要)比较小。
协议栈规范（ Stack Profile）
协议栈规范由 ZigBee 联盟定义指定。在同一个网络中的设备必须符合同一个协议栈规范
（同一个网络中所有设备的协议栈规范必须一致） 。
ZigBee 联盟为 ZigBee 协议栈 2007 定义了 2 个规范：ZigBee 和 ZigBee PRO。所有的设备只
要遵循该规范，即使在不同厂商买的不同设备同样可以形成网络。
如果应用开发者改变了规范， 那么他的产品将不能与遵循 ZigBee 联盟定义规范的产品组成
网络，也就是说该开发者开发的产品具有特殊性，我们称之为“关闭的网络” ，也就是说它的
设备只有在自己的产品中使用，不能与其他产品通信。更改后的规范可以称之为“特定网络”
规范。
协议栈规范的 ID 号可以通过查询设备发送的 beacon（信标） 帧获得。在设备加入网络之前，首先
需要确认协议栈规范的 ID。 “特定网络” 规范 ID 号为 0； ZigBee 协议栈规范的 ID 号为 1； ZigBee
PRO 协议栈规范的 ID 号为 2。协议栈规范的 ID（STACK_PROFILE_ID）在 nwk_globals.h 中
拓扑结构
ZigBee 网络支持星状、 树状和网状三种网络拓扑结构， 如下图所示， 分别依次是星状网络，
树（簇）状网络和网状网络
星状网络由一个 PAN 协调器和多个终端设备组成，只存在 PAN 协调器与终端的通讯，
终端设备间的通讯都需通过 PAN 协调器的转发。
树状网络由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成，设备除了能与自己的父节点或子
节点进行点对点直接通讯外，其他只能通过树状路由完成消息传输。
网状网络是树状网络基础上实现的，与树状网络不同的是，它允许网络中所有具有路由功
能的节点直接互连，由路由器中的路由表实现消息的网状路由。该拓扑的优点是减少了消息延
时，增强了可靠性，缺点是需要更多的存储空间开销。
在 Z-Stack 中网络拓扑结构定义如下：
#define NWK_MODE_STAR 0 #define NWK_MODE_TREE 1 #define NWK_MODE_MESH 2
#if ( STACK_PROFILE_ID == ZIGBEEPRO_PROFILE ) #define NWK_MODE NWK_MODE_MESH #elif ( STACK_PROFILE_ID == HOME_CONTROLS ) #define NWK_MODE NWK_MODE_MESH #elif ( STACK_PROFILE_ID == GENERIC_STAR ) #define NWK_MODE NWK_MODE_STAR #elif ( STACK_PROFILE_ID == NETWORK_SPECIFIC ) #define NWK_MODE NWK_MODE_MESH #endif
信标与非信标模式
ZigBee 网络的工作模式可以分为信标（Beaeon）和非信标（Non-beaeon）两种模式。信标
模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度的功耗节省，而非信标模
式则只允许终端设备进行周期性休眠，协调器 和所有路由器 设备必须长期处于工作状态。
信标模式下，协调器负责以一定的间隔时间（一般在 15ms-4mins 之间）向网络广播信标
帧，两个信标帧发送间隔之间有 16 个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两
个部分，消息只能在网络活动区的各时槽内发送。
非信标模式下， ZigBee 标准采用父节点为终端设备子节点缓存数据， 终端设备主动向其父
节点提取数据的机制，实现终端设备的周期性（周期可设臵）休眠。网络中所有父节点需为自
己的终端设备子节点缓存数据帧，所有终端设备子节点的大多数时间都处于休眠模式，周期性
的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要
15ms。（一般采用非信标模式）
地址
地址定义
ZigBee 设备有两种类型的地址。一种是 64 位 IEEE 地址（全球唯一，制造商生产时就分配好），即 MAC 地址，另一种是 16 位
网络地址（协调器在建立网络时，对其他设备进行网络地址分配）。
网络 地址 分配
ZigBee2006 和 ZigBee 2007 使用分布式寻址方案来分配网络地址。ZigBee 2007 PRO 使用的随机地址分配机制。
分布式寻址方案保证在整个网络中所有分配的地址是唯一的。这一点是必须的，因为这样才能保证一个特定的数据包能够发
给它指定的设备，而不出现混乱。同时，这个寻址算法本身的分布特性保证设备只能与他的父
辈设备通讯来接受一个网络地址。不需要整个网络范围内通讯的地址分配，这有助于网络的可
测量性。
ZigBee 2007 PRO 使用的随机地址分配机制，对新加入的节点使用随机地址分配，为保证
网络内地址分配不重复，使用其余的随机地址再进行分配。当一个节点加入时，将接收到父节
点的随机分配地址，然后产生“设备声明” （包含分配到的网络地址和 IEEE 地址）发送至网
络中的其余节点。如果另一个节点有着同样的网络地址，则通过路由器广播“网络状态-地址
冲突”至网络中的所有节点。所有发生网络地址冲突的节点更改自己的网络地址，然后再发起
“设备声明”检测新的网络地址是否冲突。
寻址
为了向一个在 ZigBee 网络中的设备发送数据，应用程序通常使用 AF_DataRequest()函数。
数据包将要发送给一个 afAddrType_t(在 ZComDef.h 中定义)类型的目标设备。
typedef struct
{
union//联合体
{
uint16 shortAddr;//短地址
ZLongAddr_t extAddr;//长地址
} addr;
afAddrMode_t addrMode;//地址类型
byte endPoint;//端点值
uint16 panId; // used for the INTER_PAN feature//个域网ID号
} afAddrType_t;
注意，除了网路地址之外，还要指定地址模式参数。目的地址模式可以设臵为以下几个值：
typedef enum
{
afAddrNotPresent = AddrNotPresent,
afAddr16Bit = Addr16Bit,//16位短地址
afAddr64Bit = Addr64Bit,//64位长地址
afAddrGroup = AddrGroup,//组播地址
afAddrBroadcast = AddrBroadcast//广播地址
} afAddrMode_t;
因为在 Zigbee 中，数据包可以单点传送(unicast)（从一个设备发到另一个设备），多点传送(multicast)
（发到group里的所有成员）或者广播传送（发给所有的成员），所以
必须有地址模式参数。一个单点传送数据包只发送给一个设备，多点传送数据包则要传送给一
组设备，而广播数据包则要发送给整个网络的所有节点。这个将在下面详细解释。
单点传送(Unicast)
Uicast 是标准寻址模式，它将数据包发送给一个已经知道网络地址的网络设备。将
afAddrMode 设臵为 Addr16Bit 并且在数据包中携带目标设备地址。
间接传送(Indirect)
当应用程序不知道数据包的目标设备在哪里的时候使用的模式。将模式设臵为
AddrNotPresent并且目标地址没有指定。 取代它的是从发送设备的栈的绑定表中查找目标设备。
这种特点称之为源绑定。
当数据向下发送到达栈中，从绑定表中查找并且使用该目标地址。这样，数据包将被处理
成为一个标准的单点传送数据包。如果在绑定表中找到多个设备，则向每个设备都发送一个数
据包的拷贝。
广播传送(broadcast)
当应用程序需要将数据包发送给网络的每一个设备时，使用这种模式。地址模式设臵为
AddrBroadcast。目标地址可以设臵为下面广播地址的一种：
NWK_BROADCAST_SHORTADDR_DEVALL(0xFFFF)——数据包将被传送到网络上的所有设
备，包括睡眠中的设备。对于睡眠中的设备，数据包将被保留在其父亲节点直到查询到它，或
者消息超时(NWK_INDIRECT_MSG_TIMEOUT 在 f8wConifg.cfg 中)。
NWK_BROADCAST_SHORTADDR_DEVRXON(0xFFFD)——数据包将被传送到网络上的所
有在空闲时打开接收的设备(RXONWHENIDLE)，也就是说，除了睡眠中的所有设备。
NWK_BROADCAST_SHORTADDR_DEVZCZR(0xFFFC)——数据包发送给所有的路由器，包
括协调器。
组寻址(Group Addressing)
当应用程序需要将数据包发送给网络上的一组设备时，使用该模式。地址模式设臵为
afAddrGroup 并且 addr.shortAddr 设臵为组 ID。
在使用这个功能呢之前，必须在网络中定义组。(参见 Z-stack API 文档中的 aps_AddGroup()函
数)。
注意组可以用来关联间接寻址。 再绑定表中找到的目标地址可能是是单点传送或者是一个组地
址。另外，广播发送可以看做是一个组寻址的特例。
下面的代码是一个设备怎样加入到一个 ID 为 1 的组当中：
aps_Group_t group; // Assign yourself to group 1 group.ID = 0x0001; group.name[0] = 0; // This could be a human readable string aps_AddGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, &group );//SAMPLEAPP_ENDPOINT：端点号，&group ：地址
重要设备地址 (Important Device Ad dr esses)
应用程序可能需要知道它的设备地址和父亲地址。 使用下面的函数获取设备地址(在 ZStack
API 中定义)：
NLME_GetShortAddr()——返回本设备的 16 位网络地址
NLME_GetExtAddr()—— 返回本设备的 64 位扩展地址
使用下面的函数获取该设备的父亲设备的地址：
NLME_GetCoordShortAddr()——返回本设备的父亲设备的 16 位网络地址
NLME_GetCoordExtAddr()—— 返回本设备的父亲设备的 64 位扩展地址