ZigBee短距离无线通信技术概述

1．ZigBee技术概述

ZigBee技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其物理层和数据链路层协议为IEEE 802.15.4协议标准，网络层和安全层由ZigBee联盟制定，应用层的开发应用根据用户的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。

根据IEEE 802.15.4协议标准，ZigBee的工作频段分为3个频段，这3个工作频段相距较大，而且在各频段上的信道数据不同，因而，在该项技术标准中，各频段上的调制方式和传输速率不同。它们分别为 868MHz，915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz频段上分为16个信道，该频段为全球通用的工业、科学、医学（indus- trial，scientific and medical，ISM）频段，该频段为免付费、免申请的无线电频段，在该频段上，数据传输速率为 250Kb／s；另外两个频段为915／868MHz，其相应的信道个数分别为10个和1个，传输速率分别为40Kb／s和ZOKb／s，868MHz和 915MHz无线电使用直接序列扩频技术和二进制相移键控（BPSK）调制技术。2.4GHz无线电使用DSSS和偏移正交相移键控（O－QPSK）。

在组网性能上，ZigBee可以构造为星形网络或者点对点对等网络，在每一个ZigBee组成的无线网络中，连接地址码分为16b短地址或者64b长地址，可容纳的最大设各个数分别为216和264个，具有较大的网络容量。

在无线通信技术上，采用CSMA－CA方式，有效地避免了无线电载波之间的冲突，此外，为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信协议。

ZigBee设备为低功耗设各，其发射输出为 0～3.6dBm，通信距离为30～70m，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果，设各可以自动调整设各的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设各能量。

为保证ZigBee设备之间通信数据的安全保密性，ZigBee技术采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。

2． ZigBee技术特点

ZigBee技术则致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设各使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线通信技术。这种无线通信技术具有如下特点：

（1）数据传输速率低

只有10～250Kb／s，专注于低传输速率应用。无线传感器网络不传输语音、视频之类的大数据量的采集数据，仅仅传输一些采集到的温度、湿度之类的简单数据。

（2）功耗低

工作模式情况下，ZigBee技术传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短，其次在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模式，耗电量仅仅只有1μW。设各搜索时延一般为 30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接人时延为15ms。由于工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得ZigBee设各非常省电，ZigBee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右。同时，由于电池时间取决于很多因素，例如电池种类、容量和应用场合，ZigBee技术在协议上对电池使用也作了优化。对于典型应用，碱性电池可以使用数年，对于某些工作时间和总时间（工作时间＋休眠时间）之比小于t％的情况，电池的寿命甚至可以超过1年。

（3）数据传输可靠

ZigBee的介质链路层（以MAC层）采用CSMA－CA碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。同时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竟争和冲突。同时ZigBee针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。

（4）网络容量大

ZigBee的低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。ZigBee定义了两种器件：全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。网络协调器（coordinator）是一种全功能器件，而网络节点通常为简化功能器件。如果通过网络协调器组建无线传感器网络，整个网络最多可以支持超过65 000个ZigBee网络节点，再加上各个网络协调器可互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。

（5）自动动态组网、自主路由

无线传感器网络是动态变化的，无论是节点的能量耗尽，或者节点被敌人俘获，都能使节点退出网络，而且网络的使用者也希望能在需要的时候向已有的网络中加人新的传感器节点。

（6）兼容性

ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络协调器自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道接入。为了可靠传递，还提供全握手协议。

（7）安全性

ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全性。第一级实际是无安全方式，对于某种应用，如果安全并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。对于第二级安全级别，器件可以使用接人控制清单（ACL）来防止非法器仵获取数据。

在这一级不采取加密措施。第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准（AES）的对称密码。AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件。

（8）实现成本低

模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5～2.5美元，且ZigBee协议免专利费用。无线传感器网络中可以具有成千上万的节点，如果不能严格地控制节点的成本，那么网络的规模必将受到严重的制约，从而将严重地制约无线传感器网络的强大功能。

3．ZigBee协议栈结构

ZigBee技术的协议栈结构很简单，不像诸如蓝牙和其他网络结构，这些网络结构通常分为7层，而ZigBee技术仅分为4层，如图所示。

图 ZigBee协议栈

在ZigBee技术中，PHY层和 MAC层采用IEEE 802.15.4协议标准，其中，PHY层提供了两种类型的服务：即通过物理层管理实体接口对PHY层数据和PHY层管理提供服务。PHY层数据服务可以通过无线物理信道发送和接收物理层协议数据单元来实现。

PHY层的特征是启动和关闭无线收发器，能量监测，链路质量，信道选择，清除信道评估，以及通过物理介质对数据包进行发送和接收。同样，MAC层也提供了两种类型的服务：通过MAC层管理实体服务接人点向MAC层数据和MAC层管理提供服务。MAC层数据服务可以通过PHY层数据服务发送和接收MAC层协议数据单元

MAC层的具体特征是：信标管理，信道接入，时隙管理，发送确认帧，发送连接及断开连接请求。除此以外，MAC层为应用合适的安全机制提供一些方法。

ZigBee技术的网络／安全层主要用于ZigBee的WPAN的组网连接、数据管理以及网络安全等；应用层主要为ZigBee技术的实际应用提供一些应用框架模型等，以便对ZigBee技术进行开发应用。

根据ZigBee Alliance的观点，一般家庭可将ZigBee应用于以下装置：

①空调系统的温度控制器，灯光、窗帘的自动控制。

②老年人与行动不便者的紧急呼叫器。

③电视与音响的万用遥控器，无线键盘、滑鼠、摇杆，玩具。

④烟雾侦测器。

⑤智慧型标签。