ZigBee簡介

　　ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee技術(shù)的命名主要來自于人們對蜜蜂采蜜過程的觀察，蜜蜂在采蜜過程中，其舞蹈軌跡像跳著“Z”的形狀，由于蜜蜂自身體積小，所需要的能量小，又能傳送所采集的花粉，因此，人們用ZigBee技術(shù)來代表具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的無線通信技術(shù)，中文譯名通常稱為“紫蜂”技術(shù)。

　　2000年12月IEEE成立了IEEE 802.15.4工作組，致力于定義一種適于固定、便攜或移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)——ZigBee技術(shù)。2002年8月，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司、荷蘭飛利浦半導(dǎo)體等公司成立了ZigBee聯(lián)盟（ZigBee Alliance），目前該聯(lián)盟已吸引了150多家芯片公司、無線設(shè)備公司及產(chǎn)品開發(fā)商。

　　ZigBee是介于無線標識技術(shù)和藍牙之間的一種技術(shù)，主要用于近距離無線連接。它有自己的無線電標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間互相協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們之間的通信效率非常高。最后，這些數(shù)據(jù)就可以進入計算機用于分析或是被另外一種無線技術(shù)（如 WiMax）收集。ZigBee技術(shù)的較低數(shù)據(jù)速率以及較小通信范圍的特點決定ZigBee技術(shù)適于承載數(shù)據(jù)量較小的業(yè)務(wù)。

　　ZigBee工作原理

　　ZigBee是一組基于IEEE 802.15.4無線標準研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。IEEE 802.15.4是IEEE確定低速無線個人局域網(wǎng)的標準，這個標準定義了物理層（Physical Layer，PHY）和媒體接入控制層（Media Access Control Layer，MAC）。ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）議和應(yīng)用層（Application Layer）進行了標準化。應(yīng)用層的開發(fā)應(yīng)用根據(jù)用戶自己的應(yīng)用需要，對其進行開發(fā)利用，因此該技術(shù)能夠為用戶提供機動、靈活的組網(wǎng)方式。

　　ZigBee的協(xié)議體系包含了IEEE 802.15.4標準定義的物理層、MAC層及ZigBee聯(lián)盟定義的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

　　1、物理層

　　物理層定義物理無線信道和MAC層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和物理層管理服務(wù)。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)是從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護一個由物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。IEEE 802.15.4定義了2.4 GHz和868/915 MHz兩個物理層，它們基于直接序列擴頻（Direct Sequence Spread Spectmm，DSSS）數(shù)據(jù)包格式，它們在工作頻帶、擴頻參數(shù)、數(shù)據(jù)參數(shù)和適用區(qū)域等方面都存在著一定的差異。

　　ZigBee物理層分組結(jié)構(gòu)：其中前導(dǎo)碼4B，主要用于前導(dǎo)同步；分組定界1B，標志分組的開始；物理層頭1B，表示數(shù)據(jù)單元的長度；數(shù)據(jù)單元用于承載傳輸數(shù)據(jù)。

　　1）2.4 GHz頻段

　　該頻段為全球統(tǒng)一無需申請的IsM頻段，有助于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。該頻段物理層通過采用高階調(diào)制技術(shù)，并用碼片長度為8的偽隨機碼直接擴頻，可獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更省電。

　　2）868/915 MHz頻段

　　為了避免干擾，歐洲還采用868 MHz頻段，美國采用915 MHz頻段作為ZigBee的工作頻段。這兩個頻均均采用了差分編碼的二進制移相鍵控（BPSK）調(diào)制，用碼片長度為15的M序列直接擴頻。由于頻段比較相近，對信號合成器的程序稍作改動，就可使用相似的硬件，從而降低生產(chǎn)成本。

　　上述頻段無線信號傳播損耗較小，可降低對接收機靈敏度的要求，獲得較遠的通信距離，即可用較少的設(shè)備覆蓋較大的區(qū)域。

　　2、MAC層

　　IEEE802系列標準將數(shù)據(jù)鏈路層分成邏輯鏈路控制（L09 iocl Link Control，LLC）和媒介接入控制（Media Access Control，MAC）兩個子層。其中，LLC子層在IEEE 802.6中定義為IEEE 802標準系列共用，而MAC子層協(xié)議依賴于各自的物理層。

　　IEEE 802.15.4的MAC層支持多種LLC標準，通過SSCS（Service-Speci6c Convergence Sub-layer）務(wù)相關(guān)會聚子層協(xié)議承載IEEE 802.2類型的LLC標準，且允許其他LLC標準直接使用IEEE 802.15.4MAC層的服務(wù)。

　　考慮到Zig Bee MAC層的設(shè)計應(yīng)盡可能地降低成本、易于實現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸可靠、短距離操作以及低功耗，因此采用了簡單靈活的協(xié)議，其幀有4種類型：數(shù)據(jù)幀、標志幀、命令幀和確認幀。

　　ZigBee采用載波偵聽多址/沖突（CSMA/CD）的信道接入方式和完全握手協(xié)議。

　　3、網(wǎng)絡(luò)層

　　網(wǎng)絡(luò)層（NWK）是位于MAC與應(yīng)用層（APL）之間的一個協(xié)議層。網(wǎng)絡(luò)層的任務(wù)是通過正確操作MAC層提供的功能來向應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。為了實現(xiàn)與應(yīng)用層的通信，網(wǎng)絡(luò)層定義了兩個服務(wù)實體：數(shù)據(jù)服務(wù)實體（NLDE）和管理服務(wù)實體（NLME）。數(shù)據(jù)服務(wù)實體（NLDE）通過數(shù)據(jù)服務(wù)實體服務(wù)訪問點（NLDE-SAP）來提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；管理服務(wù)實體（NLME）通過管理服務(wù)實體訪問點（NLME-SAP）來提供管理服務(wù)。

　　在ZigBee協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)層主要負責新建網(wǎng)絡(luò)、加入網(wǎng)絡(luò)、退出網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)報文的路由傳輸?shù)裙δ堋?br />
　　根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中主要有兩種無線設(shè)備，即全功能設(shè)備（Full-Function Device，F(xiàn)FD）和精簡功能設(shè)備（Reduced-Function Device，RFD）。FFD之間及FFD和RFD之間都可以相互通信；但RFD只能與FFD通信，而不能與其他RFD通信。RFD主要用于簡單的控制應(yīng)用，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，對傳輸資源和通信資源占用不多，可以采用相對廉價的實現(xiàn)方案，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中一般作為通信終端。FFD則需要功能相對較強的MCU，一般在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中擁有網(wǎng)絡(luò)控制和管理的功能。

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，有一個稱為PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者的FFD設(shè)備，它是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點。PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者除了直接參與應(yīng)用以外，還要負責其他網(wǎng)絡(luò)成員的身份管理、鏈路狀態(tài)信息的管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

　　從網(wǎng)絡(luò)拓撲的角度來看，ZigBee設(shè)備主要有3種角色：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者、網(wǎng)絡(luò)路由器和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備。其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者主要負責網(wǎng)絡(luò)的建立，以及網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)配置；路由器主要負責找尋、建立以及修復(fù)網(wǎng)絡(luò)報文的路由信息，并負責轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)報文；網(wǎng)絡(luò)終端具有加入、退出網(wǎng)絡(luò)的功能，并可以接收和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)報文，但終端設(shè)備不允許路由轉(zhuǎn)發(fā)報文。通常協(xié)調(diào)者和路由器節(jié)點一般由FFD功能設(shè)備構(gòu)成，終端設(shè)備由RFD設(shè)備組成。

　　ZigBee支持3種通信設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓撲，即星形（Star）網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀（Mesh）網(wǎng)絡(luò)和簇狀（Cluster Tree）網(wǎng)絡(luò)。

　　Star網(wǎng)絡(luò)是一種常用且適用于長期運行使用操作的網(wǎng)絡(luò)；Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種高可靠性檢測網(wǎng)絡(luò)，它通過無線網(wǎng)絡(luò)連接可提供多個數(shù)據(jù)通信通道，即它是一個高級別的冗余性網(wǎng)絡(luò)，一旦設(shè)備數(shù)據(jù)通信發(fā)生故障，則存在另一個路徑可供數(shù)據(jù)通信；Cluster Tree網(wǎng)絡(luò)是Star/Mesh的混合型拓撲結(jié)構(gòu)，結(jié)合了上述兩種拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。

　　4、應(yīng)用層

　　應(yīng)用層提供高級協(xié)議管理功能，使用應(yīng)用層協(xié)議來管理協(xié)議棧，主要根據(jù)具體應(yīng)用由用戶開發(fā)，維持器件的功能屬性，發(fā)現(xiàn)該器件工作空間中其他器件的工作，根據(jù)服務(wù)和需求使多個器件之間進行通信。

　　在無線通信技術(shù)上，ZigBee采用免沖突多載波信道接入（CSMA-CA）方式，有效地避免了無線電載波之間的沖突，此外，為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，建立了完整的應(yīng)答通信協(xié)議。