上期我們分享了ZigBee協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)和層級(jí)，本期我們來(lái)講解ZigBee設(shè)備的類型及其功能、ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃、ZigBee應(yīng)用層功能和協(xié)議以及ZigBee安全性中的ZigBee設(shè)備類型及其功能。
Zigbee設(shè)備類型主要分為三種，分別是協(xié)調(diào)器、路由器以及終端。
協(xié)調(diào)器是Zigbee網(wǎng)絡(luò)的核心組件，負(fù)責(zé)創(chuàng)建和初始化新的Zigbee網(wǎng)絡(luò)。Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器具有最高的權(quán)限，并且始終處于活動(dòng)狀態(tài)。協(xié)調(diào)器的職責(zé)包括：
1、發(fā)起并管理網(wǎng)絡(luò)的建立過(guò)程并分配網(wǎng)絡(luò)地址給新加入的設(shè)備。
2、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的安全性和穩(wěn)定性。
3、提供與其他無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)如Wi-Fi或以太網(wǎng)等上層網(wǎng)絡(luò)的橋接功能。
其次，路由器節(jié)點(diǎn)在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的角色，它們不僅能夠發(fā)送和接收信息，還能作為中間節(jié)點(diǎn)傳遞其他設(shè)備的數(shù)據(jù)包。主要負(fù)責(zé)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，通過(guò)多跳通信方式將消息路由到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)或者其他的路由器，能夠輔助協(xié)調(diào)器管理網(wǎng)絡(luò)，允許其他設(shè)備加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，并分配地址。還能記錄與之直接連接的設(shè)備的狀態(tài)，以便進(jìn)行有效的路由選擇。
終端設(shè)備通常是網(wǎng)絡(luò)中的葉子節(jié)點(diǎn)，它們主要用于收集數(shù)據(jù)或控制外部環(huán)境，例如傳感器或執(zhí)行器。終端只能與父節(jié)點(diǎn)（可能是協(xié)調(diào)器或路由器）通信，不能直接與其他終端設(shè)備通信（除非網(wǎng)絡(luò)中有路由功能支持）并且大部分時(shí)間處于休眠狀態(tài)，只在需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)喚醒，存儲(chǔ)資源和計(jì)算能力相對(duì)較弱。
我們?cè)賮?lái)說(shuō)一說(shuō)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的范圍和擴(kuò)展性。由于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的物理范圍受限于其使用的頻段、發(fā)射功率以及設(shè)備之間的信號(hào)衰減情況。在理想條件下，室內(nèi)環(huán)境中單跳距離可以達(dá)到幾十米至幾百米，室外開(kāi)闊地則可更遠(yuǎn)。在實(shí)際運(yùn)用中可能需要覆蓋較大范圍，因此ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)增加路由器節(jié)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)大覆蓋面積和容納更多設(shè)備。每增加一個(gè)路由器，理論上都可以進(jìn)一步擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)邊緣，并允許更多的終端設(shè)備接入。實(shí)現(xiàn)設(shè)備的加入、路由和離網(wǎng)等功能。
首先協(xié)調(diào)器啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)建立過(guò)程，設(shè)定網(wǎng)絡(luò)ID（PAN ID）、通道、網(wǎng)絡(luò)密鑰等參數(shù)，通過(guò)廣播“Beacon”幀宣告網(wǎng)絡(luò)的存在，并開(kāi)啟一段時(shí)間的“Permit Joining”模式，允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備會(huì)在所有信道上搜索協(xié)調(diào)器發(fā)送的Beacon幀，當(dāng)搜索到來(lái)自協(xié)調(diào)器的Beacon幀后，會(huì)向相應(yīng)的協(xié)調(diào)器發(fā)送Association Request幀來(lái)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)請(qǐng)求通常包含想要加入的網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識(shí)信息（如PAN ID）以及設(shè)備希望獲得的網(wǎng)絡(luò)地址。當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到來(lái)自終端的Association Request幀后，進(jìn)行一系列的安全驗(yàn)證，并在認(rèn)證成功后給終端設(shè)備分配一個(gè)“網(wǎng)絡(luò)唯一地址”并通過(guò)Association Response幀告訴終端設(shè)備“入網(wǎng)認(rèn)證成功，你可以和網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行通信了”。
ZigBee協(xié)議還允許同一網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)包的路由，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)首先檢查目標(biāo)設(shè)備是否在直接通信范圍內(nèi)（一跳可達(dá)）。如果是，則直接發(fā)送數(shù)據(jù)；否則就查詢其本地路由表，尋找通往目標(biāo)設(shè)備的最佳路徑，當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)收到RREP信息時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給下一跳設(shè)備。每跳設(shè)備都將重復(fù)這個(gè)過(guò)程，直到數(shù)據(jù)抵達(dá)目標(biāo)設(shè)備。有入網(wǎng)就需要離網(wǎng)，當(dāng)設(shè)備決定離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會(huì)向會(huì)向其父節(jié)點(diǎn)（通常是路由器或協(xié)調(diào)器）發(fā)送離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的命令。父節(jié)點(diǎn)接收到離網(wǎng)請(qǐng)求并進(jìn)行處理后，會(huì)向該設(shè)備發(fā)送一個(gè)確認(rèn)消息，確認(rèn)其即將離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。父節(jié)點(diǎn)在確認(rèn)設(shè)備離網(wǎng)后，會(huì)釋放該設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的地址，并更新其路由表，刪除與該設(shè)備相關(guān)的路由信息。如果離網(wǎng)的是路由器設(shè)備，其相連的子節(jié)點(diǎn)需要重新尋址和選擇新的父節(jié)點(diǎn)。
在完成上述步驟后，設(shè)備正式脫離網(wǎng)絡(luò)，停止與網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備通信，并可能進(jìn)入休眠模式以節(jié)省電量。離網(wǎng)動(dòng)作完成后，網(wǎng)絡(luò)管理層（如網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器）會(huì)獲知設(shè)備離網(wǎng)的情況，并據(jù)此更新其維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，同時(shí)向上層應(yīng)用通知設(shè)備已經(jīng)離網(wǎng)。
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