ZigBee 標準概述

ZigBee 技術在 IEEE 802.15.4 的推動下，不僅在工業、農業、軍事、環境、醫療等

傳統領域取得了成功的應用，在未來其應用可能涉及人類日常生活和社會生產活動的所有領域，真正實現無處不在的網絡。ZigBee 技術是一組基于 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技術標準，無線個人局域網工作組 IEEE802.15.4 技術標準是 ZigBee 技術的基礎，ZigBee 技術建立在 IEEE 802.15.4 標準之上，IEEE 802.15.4 只處理低級 MAC 層和物理層協議，ZigBee 聯盟對其網絡層協議和 API進行了標準化。

ZigBee 技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用，因此非常適用于家電和小型電子設備的無線控制指令傳輸。其典型的傳輸數據類型有周期性數據（如傳感器）、間歇性數據（如照明控制）和重復低反應時間數據（如鼠標）。

其目標功能是自動化控制。它采用跳頻技術，使用的頻段分別為 2.4GHz（ISM），868MHz（歐洲）及 915MHz（美國），而且均為免執照頻段，有效覆蓋范圍為 10～275m。當網絡速率降低到 28kb/s 時，傳輸范圍可以擴大到 334m，具有更高的可靠性。

ZigBee 標準是一種新興的短距離無線網絡通信技術，它是基于 IEEE 802.15.4 協議棧，主要是針對低速率的通信網絡設計的。它功耗低，是最具有可能應用在工控場合的無線方式。它和 2.4GHz 頻帶提供的數據傳輸速率為 250kb/s，915MHz 頻帶提供的數據傳輸速率為 40kb/s，而 868MHz 頻帶提供的數據傳輸速率為 20kb/s。另外，它可與 254 個包括儀器和家庭自動化應用設備的節點聯網。它本身的特點使得其在工業監控、傳感器網絡、家庭監控、安全系統等領域有很大的發展空間。ZigBee 體系結構如圖 所示。

ZigBee 技術特點

ZigBee 是一種無線連接，可工作在 2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和 915MHz（美國流行）三個頻段上，分別具有最高 250kb/s、20kb/s 和 40kb/s 的傳輸速率，它的傳輸距離在 10～75m 的范圍內，但可以繼續增加。作為一種無線通信技術，ZigBee 自身的技術優勢主要表現在以下幾個方面。

1．功耗低

ZigBee 網絡節點設備工作周期較短、收發數據信息功耗低，且使用了休眠模式（當不需接收數據時處于休眠狀態，當需要接收數據時由“協調器”喚醒它們），因此，ZigBee技術特別省電，據估算，ZigBee 設備僅靠兩節 5 號電池就可以維持長達 6 個月到兩年左右的使用時間，這是其他無線設備望塵莫及的，避免了頻繁更換電池或充電，從而減輕了網絡維護的負擔。

2．成本低

由于 ZigBee 協議棧設計非常簡單，所以其研發和生產成本較低。普通網絡節點硬件只需 8 位微處理器，4～32KB 的 ROM，且軟件實現也很簡單。隨著產品產業化，ZigBee 通信模塊價格預計能降到 10 元人民幣，并且 ZigBee 協議是免專利費的。低成本對于 ZigBee也是一個關鍵的因素。

3．可靠性高

由于采用了碰撞避免機制并且為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了收

發數據時的競爭和沖突，且 MAC 層采用完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息，所以從根本上保證了數據傳輸的可靠性。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。

4．容量大

一個 ZigBee 網絡最多可以容納 254 個從設備和 1 個主設備，一個區域內最多可以同時存在 100 個 ZigBee 網絡，而且網絡組成靈活。

5．時延小

ZigBee 技術與藍牙技術的時延相比，其各項指標值都非常小。通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延 30ms，而藍牙為 3～10s。休眠激活的時延是15ms，活動設備信道接入的時延為 15ms。因此 ZigBee 技術適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業控制場合等）應用。

6．安全性好

ZigBee 技術提高了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法使用 AES-128，且各應用可以靈活地確定安全屬性，從而使網絡安全能夠得到有效的保障。

7．有效范圍小

有效覆蓋范圍在 10～75m 之間，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環境。

8．兼容性

ZigBee 技術與現有的控制網絡標準無縫集成。通過網絡協調器自動建立網絡，采

用載波偵聽／沖突檢測（CSMACA）方式進行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協議。

ZigBee 具有廣闊的應用前景。ZigBee 聯盟預言在未來的 4 到 5 年，每個家庭將擁有 50個 ZigBee 器件，最后將達到每個家庭 150 個。據估計，ZigBee 市場價值將超過數億美元/年。其應用領域如圖 所示。

（1）家庭和樓宇網絡。通過ZigBee網絡，可以遠程控制家里的電器、門窗等；可以方便地實現水、電、氣三表的遠程自動抄表；通過一個ZigBee遙控器，控制所有的家電節點。未來的家庭將會有50～100個支持ZigBee的芯片安裝在電燈開關、煙火檢測器、抄表系統、無線報警、安保系統、HVAC、廚房機械中，為實現遠程控制服務。

（2）工業控制。在工業自動化領域，利用傳感器和 ZigBee 網絡，使得數據的自動采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統的重要組成部分。例如，危險化學成分的檢測、火警的早期檢測和預報、高速旋轉機器的檢測和維護等。

（3）公共場所。例如，煙霧探測器等。

（4）農業控制。傳統農業主要使用孤立的、沒有通信能力的機械設備，主要依靠人力監測作物的生長狀況。采用了傳感器和 ZigBee 網絡后，農業將可以逐漸地向以信息和軟件為中心的生產模式轉化，使用更多的自動化、網絡化、智能化和遠程控制的設備來耕種。傳感器可以收集包括土壤濕度、氮濃度、pH 值、降水量、溫濕度和氣壓等信息。這些信息和采集信息的地理位置經由 ZigBee 網絡傳遞到中央控制設備供農民決策和參考，這樣就能夠及早而準確地發現問題，從而有助于保持并提高農作物的產量。

（5）醫療。借助于各種傳感器和 ZigBee 網絡，準確且實時地監測病人的血壓、體溫和心跳速度等信息，從而減少醫生查房的工作負擔，有助于醫生作出快速的反應，特別是對重病和病危患者的監護治療。老人與行動不便者的緊急呼叫器和醫療傳感器等。

（6）商業。例如智慧型標簽等。

ZigBee 協議框架

ZigBee 堆棧是在 IEEE 802.15.4 標準基礎上建立的，定義了協議的 MAC 和 PHY 層。ZigBee 設備應該包括 IEEE 802.15.4（該標準定義了 RF 射頻以及與相鄰設備之間的通信）的 PHY 和 MAC 層，以及 ZigBee 堆棧層：網絡層（NWK）、應用層和安全服務提供層。

完整的 ZigBee 協議棧由物理層、介質訪問控制層、網絡層、安全層和高層應用規范組成，如圖所示。

ZigBee 協議棧的網絡層、安全層和應用程序接口等由 ZigBee 聯盟制定。物理層和

MAC 層由 IEEE 802.15.4 標準定義。在 MAC 子層上面提供與上層的接口，可以直接與網絡層連接，或者通過中間子層 SSCS 和 LLC 實現連接。ZigBee 聯盟在 802.15.4 基礎上定義了網絡層和應用層。其中，安全層主要實現密鑰管理、存取等功能。應用程序接口負責向用戶提供簡單的應用軟件接口（API），包括應用子層支持（Application Sub-layer Support，APS）、ZigBee 設備對象（ZigBee Device Object，ZDO）等，實現應用層對設備的管理。