ZigBee簡介

　　ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術。ZigBee技術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，中文譯名通常稱為“紫蜂”技術。

　　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、便攜或移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術——ZigBee技術。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、荷蘭飛利浦半導體等公司成立了ZigBee聯盟（ZigBee Alliance），目前該聯盟已吸引了150多家芯片公司、無線設備公司及產品開發商。

　　ZigBee是介于無線標識技術和藍牙之間的一種技術，主要用于近距離無線連接。它有自己的無線電標準，在數千個微小的傳感器之間互相協調實現通信。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據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，這些數據就可以進入計算機用于分析或是被另外一種無線技術（如 WiMax）收集。ZigBee技術的較低數據速率以及較小通信范圍的特點決定ZigBee技術適于承載數據量較小的業務。

　　ZigBee工作原理

　　ZigBee是一組基于IEEE 802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的通信技術。IEEE 802.15.4是IEEE確定低速無線個人局域網的標準，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聯盟對其網絡層（Network Layer）議和應用層（Application Layer）進行了標準化。應用層的開發應用根據用戶自己的應用需要，對其進行開發利用，因此該技術能夠為用戶提供機動、靈活的組網方式。

　　ZigBee的協議體系包含了IEEE 802.15.4標準定義的物理層、MAC層及ZigBee聯盟定義的網絡層和應用層。

　　1、物理層

　　物理層定義物理無線信道和MAC層之間的接口，提供物理層數據服務和物理層管理服務。物理層數據服務是從無線物理信道上收發數據，物理層管理服務維護一個由物理層相關數據組成的數據庫。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）數據包格式，它們在工作頻帶、擴頻參數、數據參數和適用區域等方面都存在著一定的差異。

　　ZigBee物理層分組結構：其中前導碼4B，主要用于前導同步；分組定界1B，標志分組的開始；物理層頭1B，表示數據單元的長度；數據單元用于承載傳輸數據。

　　1）2.4 GHz頻段

　　該頻段為全球統一無需申請的IsM頻段，有助于ZigBee設備的推廣和生產成本的降低。該頻段物理層通過采用高階調制技術，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，即可用較少的設備覆蓋較大的區域。

　　2、MAC層

　　IEEE802系列標準將數據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）務相關會聚子層協議承載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。

　　考慮到Zig Bee MAC層的設計應盡可能地降低成本、易于實現、數據傳輸可靠、短距離操作以及低功耗，因此采用了簡單靈活的協議，其幀有4種類型：數據幀、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議。

　　3、網絡層

　　網絡層（NWK）是位于MAC與應用層（APL）之間的一個協議層。網絡層的任務是通過正確操作MAC層提供的功能來向應用層提供合適的服務接口。為了實現與應用層的通信，網絡層定義了兩個服務實體：數據服務實體（NLDE）和管理服務實體（NLME）。數據服務實體（NLDE）通過數據服務實體服務訪問點（NLDE-SAP）來提供數據傳輸服務；管理服務實體（NLME）通過管理服務實體訪問點（NLME-SAP）來提供管理服務。

　　在ZigBee協議中，網絡層主要負責新建網絡、加入網絡、退出網絡和網絡報文的路由傳輸等功能。

　　根據設備所具有的通信能力，ZigBee網絡中主要有兩種無線設備，即全功能設備（Full-Function Device，FFD）和精簡功能設備（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用，傳輸的數據量較少，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方案，在網絡結構中一般作為通信終端。FFD則需要功能相對較強的MCU，一般在網絡結構中擁有網絡控制和管理的功能。

　　ZigBee網絡中，有一個稱為PAN網絡協調者的FFD設備，它是網絡的中心節點。PAN網絡協調者除了直接參與應用以外，還要負責其他網絡成員的身份管理、鏈路狀態信息的管理以及分組轉發等功能。

　　從網絡拓撲的角度來看，ZigBee設備主要有3種角色：網絡協調者、網絡路由器和網絡終端設備。其中網絡協調者主要負責網絡的建立，以及網絡的相關配置；路由器主要負責找尋、建立以及修復網絡報文的路由信息，并負責轉發網絡報文；網絡終端具有加入、退出網絡的功能，并可以接收和發送網絡報文，但終端設備不允許路由轉發報文。通常協調者和路由器節點一般由FFD功能設備構成，終端設備由RFD設備組成。

　　ZigBee支持3種通信設備的網絡拓撲，即星形（Star）網絡、網狀（Mesh）網絡和簇狀（Cluster Tree）網絡。

　　Star網絡是一種常用且適用于長期運行使用操作的網絡；Mesh網絡是一種高可靠性檢測網絡，它通過無線網絡連接可提供多個數據通信通道，即它是一個高級別的冗余性網絡，一旦設備數據通信發生故障，則存在另一個路徑可供數據通信；Cluster Tree網絡是Star/Mesh的混合型拓撲結構，結合了上述兩種拓撲結構的優點。

　　4、應用層

　　應用層提供高級協議管理功能，使用應用層協議來管理協議棧，主要根據具體應用由用戶開發，維持器件的功能屬性，發現該器件工作空間中其他器件的工作，根據服務和需求使多個器件之間進行通信。

　　在無線通信技術上，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，為保證傳輸數據的可靠性，建立了完整的應答通信協議。