ZigBee技术简介

ZigBee是一种面向自动化和无线控制的低速率、低功耗、低价格的无线网络方案。在ZigBee方案被提出了一段时间之后，IEEE 802.15.4工作组也开始了对低速率无线通信标准的制定工作。最终ZigBee联盟和IEEE 802.15.4工作组决定合作，共同制定一种通信协议标准，该协议标准被命名为ZigBee。

ZigBee的通信速率要求低于蓝牙，由电池供电设备提供无线通信功能，并希望在不更换电池并且不充电的情况下能正常工作几个月甚至几年。ZigBee无线设备工作在公共频段上，分别为全球2.4GHz、美国915MHz、欧洲868MHz，其传输距离为10～75m，具体数值取决于射频环境和特定应用条件下的输出功耗。ZigBee无线设备的通信速率在2.4GHz时为250Kb／s，在915 MHz时为40Kb／s，在868 MHz时为20Kb／s。

图6－12所示为无线通信协议的应用情况。通常，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。从该图可以看出，相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee是功耗和成本最低的技术。ZigBee的低数据率和通信范围较小的特点，决定了它适合承载数据流量较小的通信业务。

图6－12　无线通信协议的应用范围

ZigBee联盟成立于2001年，目前拥有200多个会员。ZigBee技术具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全可靠、工作频段灵活等诸多优点，目前是被普遍看好的无线个域网方案，也被很多人视为无线传感器网络的事实标准。

ZigBee联盟对网络层协议和应用程序接口进行了标准化。ZigBee协议栈架构基于开放系统互连模型的七层模型，包含IEEE 802.5.4标准以及由该联盟独立定义的网络层和应用层协议。

ZigBee所定义的网络层主要负责网络拓扑的搭建和维护以及设备寻址、路由等，属于通用的网络层功能范畴，应用层包括应用支持子层（Application Support Sub－layer，APS）、Zig－Bee设备对象（ZigBee Device Object，ZDO）以及设备商自定义的应用组件，负责业务数据流汇聚、设备发现、服务发现、安全与鉴权等。

协议芯片是协议标准的载体，也是最容易体现知识产权的一种形式。目前市场上出现了较多的ZigBee芯片产品及解决方案，有代表性的包括Jennic公司的JN5121／JN5139，Chipcon公司（被TI公司收购）的CC2530，Freescale公司的MC13192和Ember公司的EM250等系列的开发工具和芯片。

1）ZigBee协议栈

完整的ZigBee协议栈自上而下由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，如图6－13所示。

图6－13　ZigBee协议栈的组成

应用层定义了各种类型的应用业务，是协议栈的最上层。应用汇聚层负责把不同的应用映射到ZigBee网络层，包括安全与鉴权、多个业务数据流汇聚、设备发现和业务发现。网络层的功能包括拓扑管理、MAC管理、路由管理和安全管理。

数据链路层可分为逻辑链路控制（LLC）子层和介质访问控制（MAC）子层。IEEE 802.15.4的LLC子层的功能包括传输可靠性保障、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输。IEEE 802.15.4的MAC子层采用了业务相关的汇聚子层（SSCS）协议，能支持多种LLC标准，其功能包括设备间无线链路的建立、维护和拆除，确认模式的帧传送与接收，信道接入控制，帧校验，预留时隙管理和广播信息管理。

物理层采用直接序列扩频（DSSS）技术，定义了3种流量等级：当频率采用2.4GHz时，使用16信道，能够提供250Kb／s的传输速率；当采用915 MHz时，使用10信道，能够提供40Kb／s的传输速率；当采用868 MHz时，使用单信道，能够提供20Kb／s的传输速率。直接序列扩频技术可使物理层的模拟电路的设计变得简单，且具有更高的容错性能，方便低端系统的实现。

ZigBee主要界定了网络、安全和应用框架层，通常它的网络层支持3种拓扑结构，包括星型（Star）结构、网状（Mesh）结构和簇树型（Cluster Tree）结构，如图6－14所示。星型网络最常见，可提供很长的电池使用寿命。网状网络可有多条传输路径，具有较高的可靠性。簇树型网络结合了星型和网状结构的特点，既有较高的可靠性，又能节省电池能量。

图6－14　ZigBee网络的拓扑结构(www.xing528.com)

ZigBee的物理设备分为功能简化型设备（Reduced Function Device，RFD）和功能完备型设备（Full Function Device，FFD），网络中至少有一个FFD充当网络协调器的角色。表6－10为两种类型设备的对比［5］。

表6－10　ZigBee的设备类型

功能简化型设备是网络中简单的发送接收结点，具有微型的RAM和ROM，简化了堆栈空间，相应存储空间也被减少，成本得以降低。它一般由电池供电，只与功能完备型设备连接通信。它能搜索出可达的网络设备，根据功能完备型设备的请求传送数据，并确定自身是否需要发送以及向功能完备型设备请求数据。功能简化型设备在其余时间内休眠以减少电能消耗。

功能完备型设备是一种功能完备的设备，可完成路由任务，充当网络协调器。它可与其他的功能完备型设备或功能简化型设备连接通信，一般接有线电源。

ZigBee的逻辑设备按其功能可分为协调器、路由器和终端设备。协调器的作用是启动网络的初始化，组织网络结点和存储各结点信息。路由器的作用是管理每对结点的路由信息。终端设备相当于网络中的叶结点，可以是任意类型的物理设备。

2）ZigBee的技术特点

ZigBee的主要技术特点如下：

（1）数据传输速率低。数据传输速率只有10 Kb／s～250 Kb／s，专注于低速传输的应用。

（2）有效范围小。有效覆盖范围在10～75m之间，具体范围依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。

（3）工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz（全球）、915 MHz（美国）及868 MHz（欧洲），均为无须申请的ISM频段。

（4）省电。由于工作周期很短，收发信息功耗较低，以及采用了休眠模式，ZigBee可确保两节五号电池可以支持长达6个月至2年左右的使用时间。当然不同应用的功耗有所不同。

（5）可靠。采用了碰撞避免机制，并为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC子层采用完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

（6）成本低。由于数据传输速率低，并且协议简单，因此降低了成本。另外使用ZigBee协议可免专利费。

（7）时延短。它针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延的典型值为30ms，休眠激活时延的典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms。

（8）网络容量大。一个ZigBee网络可容纳多达254个从设备和1个主设备，一个区域内可同时布置多达100个ZigBee网络。

（9）安全。ZigBee提供了数据完整性检查和认证功能，加密算法采用AES－128，应用层的安全属性可根据需求来配置。

802.15.4 WPAN应用的最大特色在于它的网络拓扑结构。由于实际应用需要感知网络的拓扑结构，一些结点可使用能量感知来定位网络结点的位置和坐标，以此作为路由计算的依据。结点可充当其他结点的中继器，保证信息转发至最终目的结点。ZigBee的网络配置不适合采用手动方式，一般都是自动配置形成自我感知的拓扑结构。