IEEE 802.15.4协议概述
IEEE 802.15.4是一种低速率无线个人区域网络（LR-WPAN）标准，专为低功耗、低数据速率的短距离通信设计。它是ZigBee、6LoWPAN等协议的基础物理层和MAC层规范。
即单跳星状或当通信线路超过10m时的多跳对等拓扑。但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义。LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址，也可以使用在关联过程中指配的16位短地址。一个802.15.4网可以容纳最多216个器件。在这个网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备(full-function device,FFD)和精简功能设备(reduced-function device,RFD)。FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信。RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。这个与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器(coordinator)。RFD设备主要用于简单的控制应用，如灯的开关、被动式红外线传感器等，传输的数据量较少，对传输资源和通信资源占用不多，这样RFD设备可以采用非常廉价的实现方案。
物理层（PHY）特性
- 频段与数据速率 ：
- 2.4 GHz频段（全球通用）：250 kbps，16信道。
- 915 MHz频段（美洲）：40 kbps，10信道。
- 868 MHz频段（欧洲）：20 kbps，1信道。
- 调制方式 ：
- 2.4 GHz频段采用O-QPSK（偏移正交相移键控）。
- 868/915 MHz频段采用BPSK（二进制相移键控）。
- 传输范围：通常10-100米，取决于环境和功率。
MAC层功能
- 帧结构 ：
- 数据帧、信标帧、确认帧和MAC命令帧四种类型。
- 包含帧控制、序列号、地址字段等头部信息。
- 信道访问机制 ：
- 支持CSMA/CA（载波监听多路访问/冲突避免）和时隙通信。
- 信标模式（协调器周期性发送信标）与非信标模式（纯CSMA/CA）。
- 低功耗设计 ：
- 支持设备在空闲时进入休眠状态，通过信标同步唤醒。
网络拓扑
- 星型拓扑：设备直接与协调器通信。
- 对等拓扑（网状网）：设备间可多跳传输，需上层协议（如ZigBee）支持。
安全机制
- 提供AES-128加密和完整性保护。
- 支持ACL（访问控制列表）过滤非法设备。
应用场景
- 物联网（IoT）传感器网络。
- 智能家居（如智能灯控、温控）。
- 工业自动化（无线监测与控制）。
协议版本演进
- 2003版：初始版本，定义基础PHY和MAC。
- 2006版：增加2.4 GHz频段高速模式和MAC改进。
- 2011版（802.15.4e）：优化工业应用，引入TSCH（时隙信道跳频）。
- 2015版（802.15.4g）：支持智慧城市与广域低功耗网络。
该协议通过低复杂度设计平衡功耗与性能，成为物联网底层通信的重要标准。
IEEE 802.15.4标准定义的LR-WPAN网络具有如下特点:
⑴ 在不同的载波频率下实现了20kbps、40kbps和250kbps三种不同的传输速率;
⑵ 支持星型和点对点两种网络拓扑结构;
⑶ 有16位和64位两种地址格式，其中64位地址是全球惟一的扩展地址;
⑷ 支持冲突避免的载波多路侦听技术(carrier sense multiple access with collision avoidance,CSMA-CA)
802.15.4协议特点
802.15.4协议因其低功耗、低复杂度设计，成为物联网和短距离无线通信的重要标准。物理层和媒体接入控制层合计49个基本参数，远低于蓝牙的配置要求，适合资源受限的简单设备。
器件类型与功能差异
全功能器件（FFD）
- 支持全部49个基本参数。
- 可与FFD和RFD通信，支持三种工作模式：个人域网协调器（PAN协调器）、协调器或普通设备。
- 适用于需要复杂功能的场景，如网络路由或数据聚合。
简化功能器件（RFD）
- 最小配置仅需支持38个基本参数。
- 仅能与FFD通信，无法直接与其他RFD交互。
- 设计目标为极简应用，如传感器或开关，通常由电池供电且长期休眠。
应用场景对比
- FFD：用于构建网络基础设施，如智能家居中的中心网关或工业监测系统中的数据汇聚节点。
- RFD：适用于单一功能的终端设备，例如温度传感器或遥控器，注重低成本与低功耗。
参数配置的意义
物理层和MAC层的精简参数降低了协议栈的存储与计算开销，使RFD能在几KB内存的微控制器上运行，同时保持通信可靠性。FFD的完整参数支持则确保网络的灵活性和可扩展性。
协议栈的定义与作用
协议栈（Protocol Stack）是一组网络通信协议的集合，按分层架构设计，每层负责特定功能，下层为上层提供服务。在无线传感器网络（WSN）和物联网（IoT）中，协议栈封装了底层通信细节（如组网、数据路由、安全加密等），开发者通过调用接口即可实现功能，无需重复编写底层代码。
协议栈的分层结构
以Zigbee协议栈为例，其典型分层如下：
- 物理层（PHY）：基于IEEE 802.15.4标准，负责无线信号调制与解调。
- 媒体访问控制层（MAC）：处理信道访问（如CSMA/CA）、帧校验和冲突避免。
- 网络层（NWK）：管理组网、路由（如AODV）、节点加入/离开。
- 应用层（APL）：提供用户接口，支持自定义功能开发。
协议栈的优势
- 代码复用：避免重复开发基础通信功能，降低开发成本。
- 标准化：遵循国际标准（如Zigbee Alliance规范），确保设备互联互通。
- 能耗优化：内置休眠调度（如S-MAC的监听/休眠模式）、数据聚合等节能机制。
协议栈的实现方式
- 开源协议栈：如Contiki、TinyOS，提供模块化设计，适合研究和小规模部署。
- 商业协议栈：如Z-Stack（TI）、Microchip Zigbee，提供完整工具链和技术支持。
- 轻量级协议栈：适用于资源受限设备，如LoRaWAN协议栈。
典型协议栈示例
- Zigbee协议栈：集成IEEE 802.15.4 PHY/MAC层，支持网状网络拓扑。
- 6LoWPAN协议栈：基于IPv6，适配低功耗设备，常用于IoT边缘网络。
协议栈开发流程
- 硬件选型：选择支持目标协议栈的芯片（如CC2530支持Z-Stack）。
- 配置参数：设置网络ID、信道、路由策略等。
- 调用API ：通过函数接口实现数据发送（如
AF_DataRequest()）。 - 调试优化：利用抓包工具（如Wireshark）分析网络行为。
协议栈通过抽象底层复杂性，显著提升了开发效率，是无线传感器网络和物联网应用的核心技术基础。