14.Zigbee

一、Zigbee设备

特点：低功耗、低价格、低数据传输率

二、IEEE 802.15.4

分为物理层PHY和数据链路层MAC

三、Zigbee

上图是标准ZigBee协议栈结构，PHY、MAC是IEEE 802.15.4标准定义；NWK、APS、ZDO、EP是ZigBee联盟定义，自下而上：

1. Hardware 硬件层

最底层射频硬件，包含射频收发芯片、天线、MCU等。负责电信号/电磁波的收发，是整个无线通信的物理载体。

2. 802.15.4 PHY（物理层 Physical Layer）

IEEE 802.15.4标准规定。

定义无线射频特性：工作频段（2.4G/868M/915M）、调制方式、信道、发射功率、接收灵敏度。

负责比特流和无线电磁波之间的转换：把MAC层的二进制比特调制为射频信号发送；接收空中射频信号解调回比特流。

提供信道能量检测、链路质量指示LQI。

3. 802.15.4 MAC（媒体访问控制层 Media Access Control）

IEEE 802.15.4标准，数据链路层。

• 管理无线信道访问，采用CSMA-CA冲突避免机制，防止多个节点同时发数据互相干扰。
• 实现一跳范围内的设备通信：帧封装、CRC校验、应答ACK、重传机制。
• 管理设备的64位IEEE长地址，处理信标帧（Beacon），保障相邻节点的可靠单跳通信。

4. ZigBee NWK（网络层 Network Layer）

ZigBee联盟定义，协议栈核心。

• 负责Mesh网状网络：网络创建、节点入网/离网、路由发现、数据包多跳转发。
• 分配16位短网络地址；区分设备类型：协调器、路由器、终端设备。
• 维护路由表，实现数据跨节点转发，是ZigBee自组网能力的核心。
• 附带网络安全机制。

5. APS（应用支持子层 Application Support Sublayer）

连接网络层NWK和上层应用对象（EP/ZDO），起到承上启下作用。

• 端点Endpoint寻址：把收到的网络数据包分发到对应应用端点（类似TCP端口）。
• 绑定（Binding）管理：在设备之间建立逻辑连接，比如开关绑定灯。
• 地址映射：64位长地址 ↔ 16位网络短地址转换。
• 数据包分片重组、组播管理，为ZDO和用户应用提供统一数据服务。

6. 上层：ZDO + EP(Endpoint) 应用对象（应用框架）

EP1 ~ EP240：Endpoint端点（应用对象） ZDO：ZigBee Device Object，ZigBee设备对象

EP（Endpoint，端点）

• 端点编号范围：1~240，每个端点对应一个独立的应用功能。
• 一个ZigBee节点可以同时跑多个应用：例EP1做灯光控制、EP2做温湿度采集，数据通过APS层按端点号分发。
• 是用户开发的业务应用，比如传感器、继电器、开关业务逻辑。

ZDO（ZigBee Device Object）

• 固定占用端点0，管理整个ZigBee设备本身，不是用户业务。
• 功能：设备描述、网络服务发现、节点角色配置（协调器/路由/终端）、绑定管理、设备重启、网络查询。
• 相当于设备的"网管"，负责网络管理，不处理传感器/控制业务数据。

硬件 → PHY把射频转比特 → MAC做单跳帧校验 → NWK做多跳路由 → APS按端点分发 → ZDO负责网络管理 / EP端点运行用户业务（灯光、传感器等）。

四、zigbee网络

一个zigbee设备可以配置成：终端设备 (End Device)、路由器 (Router)、协调器 (Coordinator)。

注意区分：协调器 ≠ 完整网关，但协调器是 ZigBee 网关里的射频核心。

1. 终端设备 End Device（ED） 电池供电传感器，低功耗，只和父节点通信，不做路由转发。
2. 路由器 Router（ZR） 持续上电，做信号中继，扩展 Mesh 网络。
3. 协调器 Coordinator（ZC） 创建整个 ZigBee 网络、分配 16 位短地址，管理入网节点，一个 ZigBee 网络只能有 1 个协调器。

ZigBee 网络由终端设备、路由节点、协调器 构成 ZigBee 无线传感子网；协调器集成网口（百兆以太网），在协调器硬件上运行网关程序，作为网关，对接上层服务器 / 局域网，从而构成一套完整的传感器采集网络。

注意：

协调器 ≠ 网关，但协调器可以做成网关

• 纯 ZigBee 协调器的本职：建立 ZigBee 网络、分配短地址、管理网络，只处理 ZigBee 无线帧，本身不带以太网。
• 网关功能：是协议转换（ZigBee ↔ TCP/IP）。
• 工程上常把协调器 + MCU + 以太网外设集成在同一块板子上：ZigBee 射频部分做协调器，MCU 跑协议转换，外接百兆网口，实现网关。很多人俗称 "协调器网关"，但概念上协调器是 ZigBee 网络角色，网关是跨协议设备角色，二者不是同一个定义。

五、集成zigbee协议的单片机

1. TI 德州仪器（国内 ZigBee 网关最常用，Z-Stack 协议栈成熟）

• CC2652P（强烈推荐做网关 / 协调器）：Cortex-M4，高功率 + 20dBm，Flash 352KB，RAM80KB；可做协调器、路由、边界路由器，外设丰富（SPI/UART/I2C），适合外接 LAN8720 百兆 PHY 做 ZigBee 网关。
• CC2538：Cortex-M3，Flash 最大 512KB，经典老款，工业传感常用；适合协调器 / 路由，项目新项目逐渐被 CC2652P 替代。
• CC2530 / CC2531：8051 内核，经典老一代，资源小，适合终端节点；不推荐用来做协调器网关，RAM 太小，不适合外挂网口。
• CC2755、CC2340：新一代多协议，支持 Matter，资源更强，偏新开发。

2. Silicon Labs（芯科，EFR32 系列，协议栈稳定）

• EFR32MG24：Cortex-M33，大 Flash，最高 + 20dBm，硬件加密强；适合网关、边界路由器、Matter 设备。
• EFR32MG22：低功耗，适合电池供电终端传感器节点，不推荐做大网关。
• EFR32MG21：上一代成熟型号，性价比高。

配套 Silicon Labs Z-stack，协议栈成熟，但是国内资料比 TI 略少。

3. ST 意法半导体 STM32WB 系列

• STM32WB55：双核 M4+M0+，内置 802.15.4 射频，支持 ZigBee3.0、Thread、BLE；STM32 生态友好，外设齐全，适合习惯 STM32 开发的团队做网关。
• STM32WBA65：新一代 Cortex-M33，更大 Flash，支持 Matter，安全更强。

4. NXP 恩智浦

• K32W041：Cortex-M0+/M4，支持 ZigBee/Thread/BLE，最高 + 15dBm，工业网关、楼宇自动化常用。

5.ESP32

ESP32-C6 RISC-V 单核，Wi‑Fi + BLE + IEEE802.15.4 三合一 ，内置 ZigBee 射频，可以直接烧 ESP-Zigbee SDK，跑协调器、路由、终端。

ESP32-H2 BLE + 802.15.4，没有 Wi-Fi。只能做 ZigBee/Thread 节点；适合 ZigBee 终端、路由。

ESP32-C5 双频 Wi-Fi6 + BLE + 802.15.4，最新量产型号，资源更强，成本偏高。