第2章 ZigBee技术及协议分析
ZigBee技术的发展及其特点]1[
长期以来，低成本、短距离、低传输率、低功率的无线通讯市场一直存在着。蓝牙（Bluetooth）技术的出现曾让玩具制造商、家庭自动化控制以及工业控制等业界从业者兴奋不已，尽管蓝牙技术有很多优点，但是高昂的价格和其存在的技术缺陷严重影响了这些厂商的使用意愿。对于工业控制、家庭自动化控制等领域而言，蓝牙技术过于复杂、功耗过大、距离近、组网规模达不到应用要求等，而工业自动化等领域对无线通信的需求越来越大。因此，经过人们的努力，于2004年正式推出了ZigBee协议规范。
“HomeRF Lite”
2004年（又称ZigBee2004）诞生，它是ZigBee的第一个规范，这使得ZigBee有了自己的发展基本标准。但是由于推出仓促存在很多不完善的地方，因此在2006年进行了标准的修订，推出了（又称ZigBee2006），但是该协议与是不兼容的。相较于做了很多修改，但是仍无法达到最初的设想，于是在2007年再次修订（称为ZigBee2007/PRO），能够兼容之前的ZigBee2006，并且加入了ZigBee PRO部分，此时ZigBee联盟更专注于以下三种应用类型的拓展：家庭自动化（HA）、建筑/商业大楼自动化（BA）以及先进抄表基础建设（AMI）。
随着ZigBee标准的完善以及各软件以及硬件厂商的不断努力，用于ZigBee开发的软硬件正趋于完善，ZigBee技术的实用化不断推进，其使用领域不断拓展。使ZigBee 技术在2004年就被列为当今世界发展最快、市场前景最广阔的十大高新技术之一。
ZigBee技术有以下几个方面的特点：
（1）短时延。通信时延以及休眠状态激活时延都很短，通常在15ms至30ms间。
（2）高可靠性。采用了CSMA/CA（碰撞避免）机制，而且为需要固定带宽的通信业务预留了专用的时隙，从而避免了发送数据时可能出现的竞争和冲突；节点模块间有自动动态组网功能，信息在整个ZigBee网络中是通过自动路由方式传输的，这样可以保证信息的可靠传输。
（3）低数据率。数据传输率在10kb/s到250kb/s之间。
（4）低功耗。两节五号电池即可使用6个月至2年，免去了经常更换电池或者是充电的麻烦。
（5）低成本。ZigBee的低数据传输率，简单的协议，都大大降低了成本，而且ZigBee
协议是免专利费的。
（6）有效范围大。可以覆盖的有效范围在10-75m之间，具体与实际工作环境和工作模式有关，基本可以满足普通家庭以及办公室环境的使用要求。
（7）工作频段比较灵活。三个工作频段分别为：（全球，具有16个速率为250kb/s的信道）、915MHz(美国，具有10个40kb/s的信道）以及868MHz（欧洲，具有1个20kb/s 的信道），而这些频段均为免执照频段。
（8）网络拓扑能力优良。ZigBee有网路自愈能力，ZigBee有星状、树状和网状三种网络结构。所以通过ZigBee无线网络拓扑可以覆盖很大的区域。
（9）高安全性。ZigBee为我们提供了数据完整性检查功能以及鉴权功能，加密算法采用AES-128，具有很好的保密性。
（10）大网络容量。网络可支持多达65000个节点。
ZigBee网络拓扑]1[]12[]13[]14[
首先介绍下ZigBee的设备类型：协调器(coordinator)、路由器(router)以及终端设备(End Device)。
终端设备(End Device)：结构和功能是最简单的，采用电池供电，大部分时间都处于睡眠状态以节约电量，延长电池的使用寿命。
路由器(router)：需具备数据存储和转发能力以及路由发现的能力。除完成应用任务外，路由器还必须支持其子设备连接、数据转发、路由表维护等功能。
协调器(coordinator)：协调器是一个ZigBee网络的第一个开始的设备或者是一个ZigBee网络的启动或者建立网络的设备。协调器节点需选择一个信道和唯一的网络标识符(PAN ID)，然后开始组建一个网络。协调器设备在网络中还有其他作用，比如建立安全机制，网络中的绑定等。
ZigBee支持包含主从设备的星状、树簇状和网状网络拓扑，每个网络中都会存在一个唯一的协调器，它相当于有线局域网中的服务器，对本网络进行管理。ZigBee以独立的节点为依托，通过无线通信组成星状、树状或网状网络，因此不同的节点功能可能不同。为了降低成本就出现了全功能设备（FFD）和半功能设备（RFD）之分，FFD支持所有的网络拓扑在网络中可以充当任何设备（协调器、路由器及终端节点）而且可以与所有设备进行通信，而RFD则在网络中只能作为子节点不能有自己的子节点（即只能作为终端节点）而且其只能与自己的父节点通信，RFD功能是FFD功能的子集。
ZigBee设备有两种地址，一个是唯一的64位的IEEE地址（绝对地址），可以使用这个64位地址在PAN中进行通信，一个是16位的短地址（相对地址），它是在设备与网络协
调器建立连接后协调器为设备分配的16位的短地址，此短地址可用来在PAN内进行通信。星状拓扑结构
在一个星状拓扑结构网络中存在一个网络协调器以及若干个从设备。协调器的作用是建立和维护网络，他必须是FFD，而且一般都会有稳定的电源供电，因此不用考虑能耗的问题。从设备可以是FFD也可以是RFD，大部分情况下从设备都是用电池供电的RFD，它只能与协调器直接通信，如果要与其他设备进行通信则需要协调器进行转发。
星状网络的建立：当一个FFD设备上电或复位开始工作时，它会检测周围的通信环境，选择合适的信道并确定该网络唯一的PAN标识符，建立一个网络。PAN标识符用来区分本网络与其他网络，网络内的从设备也是通过PAN标识符确定自己与协调器的从属关系的。网络建立后，协调器就允许其他设备与其建立连接、加入网络。这样，ZigBee星状网络就建立起来了。
星状网络拓扑结构简单、容易实现而且管理方便，但不适合大规模的复杂网络，而且如果网络中某个节点断开就会影响其他节点的通信，这限制了无线网络的部署范围。
图2-1.星状网络拓扑图2-2.树簇状网络拓扑
图2-3.网状网络拓扑
树簇状拓扑结构
树簇状网络拓扑其实是对星状网络的扩充，树簇状拓扑结构适合于分布范围较大的网络中，如图2-2所示。图中，在网络最末端的节点成为“叶”节点，即终端设备。若干个“叶”节点与一个FFD设备节点相连接从而形成一个“簇”，而若干个“簇”连接就形成了“树”，所以称这种拓扑结构为树簇状拓扑结构。树簇状拓扑结构中的大部分设备是FFD，RFD只能作为“叶”节点（“叶”节点也可以是FFD）。在树簇状网络中存在一个主协调器，主协调器拥有更多的资源、稳定而且可靠的供电等。
树簇状网络的建立：主协调器启动并建立PAN后，先选择一个PAN标识符，并把自己的短地址设置成0，然后广播自己的信息，接受其他设备加入网络，建立第一级树，协调器与这些加入网络中的设备是父子关系。主协调器会给每个与其建立连接的设备分配一个16位的短地址。如果设备是作为终端设备接入网络的，协调器会分配给它一个唯一的16位短地址；而如果设备是作为路由器加入网络的，协调器则会分配给它一个包括若干短地址的地址块。路由器会把自己的信息广播出去，并允许其他设备与其建立连接，成为
它的子设备。同样的，这些子设备中也可也存在路由器，这些路由器也可以拥有自己的子设备，这样下去就可以形成复杂的树簇状结构网络。从树状网络的形成过程中我们可以看出，树状网络中任何一个节点的故障都会影响到与其相连的子节点。
网状拓扑结构
网状拓扑结构中也存在着一个协调器，通常是第一个启动并进行通信的节点。但网状网络中的所有节点都是FFD，所以网络中的任何设备都可以与其通信范围内的其他设备进行通信。在网状拓扑结构网络中传输数据时，可以通过路由器进行转发，即多条传输，这样可以很大程度的提高网络的覆盖范围。
ZigBee协议栈]1[]12[]13[]14[
图协议栈体系结果
物理层
ZigBee物理层通过RF固件以及RF硬件为MAC层到PHY层无线信道提供接口。PHY 层包含一个物理管理实体（PLME），这个实体通过调用PHY层的层管理功能函数，为层管理服务提供接口。同时，PLME还负责维护物理层所管理的目标数据库（即物理层个人区域网信息数据库，PIB），这个数据库包括了物理层个域网络的基本信息。
在物理层中，存在着数据服务接入点以及物理层实体服务接入点，这就以为这通过这两个服务接入点物理层可以提供两种服务，即：物理层数据服务（通过物理层数据服务接入点（PD-SAP））、物理层管理服务（通过物理层管理实体（PLME）服务接入点）。
ZigBee物理层的主要任务：射频发射机的休眠与激活、通信信道选择、数据传输与接收、接收链路质量指示（LQI）、空闲信道评估、检测当前信道的能量。
ZigBee的工作在免执照、免付费的ISM(Industrial Scientific and Medical）频段上，即工业、科学和医学频段。ZigBee定义的三个工作频段共27个信道分别为：868/915MHz和。其中868MHz是欧洲附加的ISM频段，它包括1个数据传输率为20kbps的信道.915MHz是美国附加的ISM频段，包括10个数据传输率为40kbps的信道。波段是全球统一的免申请的ISM频段，它包含16个数据传输率为250kbps的信道。868/915MHz频段采用二进制相移键控（BPSK）的直接序列扩频（DSSS）技术，而频段采用的是16相位正交调制技术（O-QPSK）。
信道中心频率]12[：
=，k=0
f
c
=906+2(k-1)MHz，k=1,2, (10)
f
c
=2405+5(k-11)MHz,k=11,12, (26)
f
c
K：表示信道号码
MAC层
ZigBee技术的MAC层处理所有物理层无线信道的接入，其主要功能为：协调器产生网络信标；与信标同步；为设备提供安全支持；采用CSMA-CA机制介入信道；为两个对等的实体提供可靠的通信链路；处理并维护保护时隙（GTS）机制；连接的建立与断开。
MAC层在服务协议汇聚层（SSCS）和物理层之间提供了一个接口。MAC层包含一个通常被称为MAC层管理实体（MLME）的管理实体，该实体提供了一个可以调用MAC层管理功能的接口，而且它还负责维护MAC层固有管理对象的数据库。在MAC层中，MAC通过它的公共部分自曾服务接入点为其提供数据服务；通过它的管理实体接入点为其提供管理服务。
这两种服务为SSCS层和PHY层之间提供了一个接口，此接口通过PHY层的PD-SAP （数据服务接入点）和PLME-SAP（管理实体服务接入点）来实现。除了这两种外部接口外，还存在一个隐含的接口，MAC层的管理实体可以通过这个接口实现MAC的数据服务。
下表为一般MAC帧格式：
网络层
ZigBee联盟定义了ZigBee的网络层。ZigBee网络层要具备的功能包括加入和离开一个网络所要用到的机制、应用帧安全机制以及它们的目的地路由帧机制。另外，两个设备中路由的发现和维护也被一觉到网络层。一条邻居的发现及存储相关信息也是在网络层里完成的。
1、网络层数据实体
网络层数据实体会提供一个允许一个应用进程在两个以上的设备间传输应用协议数据单元（APDU）的数据服务，而这些设备必须在同一个网络中。
网络层数据实体提供的服务：
（1）产生网络层PDU：通过为应用子层协议数据单元PDU增加相应的协议信息，构造网络层协议数据单元NPDU。
（2）拓扑制定路由：把NPDU传输到一个设备，这个设备可以使通信的最终目的，也可以是最终目的设备的前一个设备。
2、网络层管理实体
网络层管理实体用该提供允许一个应用进程与堆栈互相作用的管理服务。
网络层管理实体提供的服务如下：
（1）配置和初始化设备，保证该设备有能力完成它在网络中的功能。
（2）建立网络：如果设备是协调器，那么它必须能初始化并建立一个新的网络。
（3）写地址：若是协调器或者是路由器，则需能够为设备分配网络地址。
（4）发现设备：有能力发现。记录和报告有关设备的一跳邻居信息。
（5）接收控制：能控制设备在何时接收以及接收事件的长短，使MAC层实现同步或直接接收。
（6）发现路由：具备发现、记录通过网络有效传递信息的路由的能力。
（7）加入和离开网络：能加入和离开网络，也能让协调器或路由器请求设备离开网络。
应用层
应用层包括应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）以及制造商定义的应用对象。
APS子层的功能有：维持绑定表，为绑定的设备间进行信息的传递。根据设备间的服务和需求将设备匹配地连接起来，就叫做绑定。
应用支持子层为网络层以及应用层之间提供接口，实现的方法是使用一组通用的服务。通过数据实体服务访问接口（APSDE-SAP）以及APS管理实体服务接入点（APSME-SAP）提供服务，其中APS应用实体提供的服务是在设备间进行应用层协议数据单元的传输，而APS管理实体则提供发现以及设备的绑定、维护应用层数据库（AIB）。
由下图可知应用支持子层帧结构可知应用支持子层帧（APDU）包括APS首部和APS 帧载荷。其中APS首部包括控制信息和地址信息，而APS帧载荷则包含有要传输的有效
表2-4.应用支持子层帧一般结构
应用支持子层定义的三种帧类型：数据帧、APS命令帧以及应答帧。
ZigBee设备对象（ZDO）代表的是一类基本功能，即提供应用对象、模板和应用支持子层之间的接口。它处在应用支持子层以及应用框架间，在ZigBee协议栈中满足一般的应用操作需求。其功能如下：
1、初始化APS、NWK以及安全服务特性（SSS）；
2、根据收集到的端点相关信息，确定要实现的功能。
参考文献
[1]无线龙.ZigBee无线网络原理[M].冶金工业出版社.2011:1-5.
[12] 吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京航空航天大学出版社.2008.
[14] 金纯，罗祖秋，罗凤，陈前斌.ZigBee技术基础与案例分析[M].国防工业出版社.2008.
第2章 ZigBee技术及协议分析 ZigBee技术的发展及其特点]1[ 长期以来，低成本、短距离、低传输率、低功率的无线通讯市场一直存在着。蓝牙（Bluetooth）技术的出现曾让玩具制造商、家庭自动化控制以及工业控制等业界从业者兴奋不已，尽管蓝牙技术有很多优点，但是高昂的价格和其存在的技术缺陷严重影响了这些厂商的使用意愿。对于工业控制、家庭自动化控制等领域而言，蓝牙技术过于复杂、功耗过大、距离近、组网规模达不到应用要求等，而工业自动化等领域对无线通信的需求越来越大。因此，经过人们的努力，于2004年正式推出了ZigBee协议规范。 “HomeRF Lite” 2004年（又称ZigBee2004）诞生，它是ZigBee的第一个规范，这使得ZigBee有了自己的发展基本标准。但是由于推出仓促存在很多不完善的地方，因此在2006年进行了标准的修订，推出了（又称ZigBee2006），但是该协议与是不兼容的。相较于做了很多修改，但是仍无法达到最初的设想，于是在2007年再次修订（称为ZigBee2007/PRO），能够兼容之前的ZigBee2006，并且加入了ZigBee PRO部分，此时ZigBee联盟更专注于以下三种应用类型的拓展：家庭自动化（HA）、建筑/商业大楼自动化（BA）以及先进抄表基础建设（AMI）。 随着ZigBee标准的完善以及各软件以及硬件厂商的不断努力，用于ZigBee开发的软硬件正趋于完善，ZigBee技术的实用化不断推进，其使用领域不断拓展。使ZigBee 技术在2004年就被列为当今世界发展最快、市场前景最广阔的十大高新技术之一。 ZigBee技术有以下几个方面的特点： （1）短时延。通信时延以及休眠状态激活时延都很短，通常在15ms至30ms间。 （2）高可靠性。采用了CSMA/CA（碰撞避免）机制，而且为需要固定带宽的通信业务预留了专用的时隙，从而避免了发送数据时可能出现的竞争和冲突；节点模块间有自动动态组网功能，信息在整个ZigBee网络中是通过自动路由方式传输的，这样可以保证信息的可靠传输。 （3）低数据率。数据传输率在10kb/s到250kb/s之间。 （4）低功耗。两节五号电池即可使用6个月至2年，免去了经常更换电池或者是充电的麻烦。 （5）低成本。ZigBee的低数据传输率，简单的协议，都大大降低了成本，而且ZigBee
Zigbee技术主流芯片调研 1、Zigbee芯片调研 当今市场已有大量集成Zigbee协议和射频电路的芯片。以下是市场上主流的生成Zigbee的公司及其生产的典型Zigbee芯片。 公司TI FREESCALE ATMEL Nordic 芯片CC2530 MC1321 AT86RF230 nRF24E1/nRF9E5 MCU内核8051 HCS08 无（通过SPI接口由外 接MCU连接） 8051 通过在淘宝上的调查，TI公司的CC2530和FREESCALE的MC1321用户量比较大，有大量的公司提供基于这两款芯片的Zigbee模块，使用这些模块可以减少大量的硬件调试工作，而较容易的实现我们所需的传输功能。以下就这两类主流芯片进行详细介绍。 1.1 CC2530调研 CC2530是市场最主流的Zigbee芯片，TI公司推出的ZIGBEE网络处理器，将复杂的ZIGBEE网络协议栈，处理成了简单的用户接口命令，用户只要使用任何简单的单片机（微控制器），就可以容易的实现对ZIGBEE网络的控制；TI推出这个芯片的目的，就是希望ZIGBEE容易被使用。CC2530是TI公司推出的最新一代ZigBee标准芯片，适用于2.4GHz、IEEE802.15.4、ZigBee和 RF4CE应用。 CC2530包括了极好性能的一流RF收发器，工业标准增强性8051MCU，系统中可编程的闪存，8KB RAM以及许多其它功能强大的特性，可广泛应用在2.4-GHzIEEE802.15.4系统，RF4CE遥控制系统，ZigBee系统，家庭/建筑物自动化，照明系统，工业控制和监视，低功耗无线传感器网络，消费类电子和卫生保健。主要参数如下：
Zigbee技术在应用中存在的问题 (2010-10-20 21:20:00) 尽管 Zigbee技术在2004年，就被列为当今世界发展最快，最具市场前景的十大新技术之一； 关于Zigbee技术的优点，大家在论坛上也进行了许多讨论，到目前为止，国内外许多厂商也都开发生产了各种各样的 Zigbee产品，并在应用推广上做了大量的工作，然而，实事求是的讲，真正完全使用Zigbee技术来解决具体实际问题，有意义的案例则非常有限。 Zigbee似乎成了一种时髦，但眼下还不能做到真正实用的新技术。就其原因，除了作为一种新技术，它本身需要有一个技术改进和成熟，以及市场培育的过程外，我们在长期应用Zigbee技术来解决实际问题的实践中，还发现如下几个十分重要，而在短期内我们认为十分难以解决的问题： 1． Zigbee的核心技术之一，是动态组网和动态路由，即Zigbee网络考虑了网络中的节点增减变化，网络中的每个节点相隔一定时间，需要通过无线信号交流的方式重新组网，并在每一次将信息从一个节点发送到另一个节点时，需要扫描各种可能的路径，从最短的路经尝试起，这就涉及到无线网络的管理问题。而这些，都需要占用大量的带宽资源，并增加数据传输的时延。特别是随着网络节点数目的增加和中转次数增多。因而，尽管Zigbee的射频传输速率是250kbps, 但经过多次中转后的实际可用速率将大大降低，同时数据传输时延也将大大增加，无线网络管理也就变得越麻烦。这也就是目前Zigbee网络在数据传输时的主要问题。 2． Zigbee这个字，从英语的角度来分析，它是由“Zig”和“bee”两个字组成。前者“Zig”中文的意思是“之“字形的路径，后面一个英文单词“bee”就是蜜蜂的意思，我们的理解，Zigbee网络技术，就是模仿蜜蜂信息传递的方式，通过网络节点之间信息的相互互传，来将一个信息从一个节点传输到远处的另外一个节点。如果按一般标准Zigbee节点，在开阔空间每次数据中转平均增加50米直线传输距离计算，传输500米直线距离需要中转十次；在室内，由于Zigbee 所使用的2.4 G的传输频率，一般是通过信号反射来进行传输的，由于建筑物的遮挡，要传输一定的距离，往往需要使用较多的网络节点来进行数据中转，如上述第一条中的分析，这对一个Zigbee网络来讲，并不是一件简单的事情。当然，我们也可使用放大器来增加Zigbee网络节点的传输距离，然而，这必然要大大增加网络节点的功耗和成本，失去了Zigbee低成本低功耗的本来目的。而且，在室内使用这种方法来增加传输距离，效果也有限。显然，一种通过中心点在室外，终端模块在室外的星状网网络通信结构个更加合理。 3．Zigbee的核心技术之一，是每一个网络节点，除了自身作为信息采集点和执行来自中心的命令外，它还承担着随时来自网络的数据中转任务，这样，网络节点的收发机必须随时处于收发接收状态，这就是说它的最低功耗至少在20mA左
Zigbee技术的应用领域 Zigbee技术Zigbee技术的目标就是针对工业，家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、农业自动化和医疗护理等，例如灯光自动化控制，传感器的无线数据采集和监控，油田，电力，矿山和物流管理等应用领域应用领域。另外它还可以对局部区域内移动目标例如城市中的车辆进行定位。符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用Zigbee技术做无线传输： 1．需要数据采集或监控的网点多； 2．要求传输的数据量不大，而要求设备成本低； 3．要求数据传输可性高，安全性高； 4．设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块； 5．电池供电； 6．地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖； 7．现有移动网络的覆盖盲区； 8．使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统。 9．使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。 Zigbee的基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域网(Personal Area Network，PAN)工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4(Zigbee)技术标准。Zigbee不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟对其网络层协议和API进行了标准化(如下图2所示)。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。Zigbee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。
Zigbee技术简介 Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术， 它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“HomeRF Lite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。最后，这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如WiMax收集。 Zigbee的基础是IEEE802.15.4这是IEEE无线个人区域网(Personal Area Network，PAN)工作组的一项标准，被称作 IEEE802.15.4(Zigbee)技术标准。 Zigbee不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟对其网络层协议和API进行了标准化(如下图2所示)。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点 的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器 可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。Zigbee联盟还开发了安全层，以保证这种便 携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。
Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分: *数据传输速率低:一般在10kbps～250kbps，传输速率低，专注于低传输应用; *功耗低: 工作状态下平局功耗在几十毫瓦，休眠状态1μw。在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是Zigbee的支持者所一直引以为豪的独特优势; *成本低:因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且Zigbee协议免收专利费。 *时延短:通常时延都在15毫秒至30毫秒之间; *安全:Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性; *网络容量大:每个Zigbee网络最多可支持255个设备（最大节点数达6万以上），也就是说，每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接; *优良的网络拓扑能力:ZigBee具有星、树和丛网络结构的能力。ZigBee设备实际上具有无线网路自愈能力,能简单地覆盖广阔围; *有效范围小:有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境; * 工作频段灵活:使用的频段分别为2.4GHz(全球)、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。
一、智能家居的背景 从宏观上来讲，事物的每个发展阶段都是当时从业人员认识水平、技术水平、市场认知、原材料成本等几个原因共同作用的结果。每个阶段都会局限于当时的技术水平、市场接受程度等，都会有其无法突破的瓶颈和困难。即便智能家居系统在中国已发展20多年，且经过这么多年的发展，产品、技术已日趋成熟、稳定，但每项技术并不一定都完美无瑕。只要产品或技术处于高速发展中，它必然需要不断地去解决一些技术上或者产品上的问题。智能家居产品未来会还向节能环保，舒适度方面发展。比如冬暖夏凉型建筑，不用空调，由建筑自身的功能去调节温度。而智能家居必须结合这些建筑上的功能去发展，从这个方面来说，必然会推动智能家居的适应性发展。对与现阶段的智能家居来说，没有专用的对讲或智能家居数字处理芯片，无论是技术层面还是集成层面，都只是有所关联。如果能够很好的解决，未来数字对讲将会取得更好的应用。而随着中国城镇化趋势的加剧，大型小区会越来越多，人们对安保的重视程度也会日益加强，将来小区的多个安防子系统在技术上必然会走向综合化、集成化。除此之外，厂家需理性地为各类应用设计解决方案，校正一些过往的虚假概念。只有设计实用性强，性价比高，能适应拓展未来新技术的系统，才能更好地为用户服务。除此之外，各家产品的兼容性也是一个急需解决的问题。目前各厂家的产品均采用自家的协议，无法很好地做到兼容，而不同品牌的可视对讲和智能家居系统如何互连互通也将是今后需突破的难点 二、智能家居系统旨在实现的以下主要功能：
(1)可以控制和相应的状态查询，如查询室内和室外的温度，可用于家用电器，如灯一键全开，一键全关，更方便。 (2)在光线方面我们可以依照家庭装修环境背景或者用户的其他层次的要对光线先进行自动调节，指在给用户带来良好的感知度和舒适程度。 (3)制定人机交互界面，这样用户就可以根据自己的需要自行调节各个用电器之间的参数，使操作简单化； (4)在智能家庭网关的Web服务器，网络视频服务器的框架，可以通过PC 客户端Web进行查看实时状态和远程控制家用设备的家庭。网络视频服务器端的Web框架，在智能家居网关的Web服务器，您可以查看PC和家庭设备的远程控制家庭的实时状态。 (5)在家庭网关集成3G模块，通过WCDMA网络远程访问。 三、工作原理如下： 将基于ZigBee 芯片的无线网络收发模块嵌入到各种家居设备中去，组成基于。基于ZigBee的无线家庭控制网络技术。根据自己的需要用户可以接入或者移除不同的设备。通过这些无线网络收发器模块在各子网络之间的数据传输的节点，使在家庭内的无线设备的网络互连，使他们能够协作，自动运行。在设计中既能利用现有的无线通信网络也可以通过Internet 网络进行数据传输，如3G 网络，以便用户可以随时随地接入家庭网络。在家庭网络内网中，只需与一个具有无线接口管理功能的ZigBee模块相连，通过开发的人机交互界面，便可通过
ZigBee技术试题库 填空题 1、一个ZigBee网络由一个协调器节点、多个路由器和多个终端设备节点组成。 2、ZigBee的安全性比较高，其加密技术采用128位AES加密算法。 3、ZigBee技术的网络拓扑结构主要有星型网络、网状型网络、簇状型网络三种。 4、ZigBee中每个协调点最多可连接255个节点，一个ZigBee网络最多可容纳65535个节点。 选择题 1、下面哪个不是ZigBee技术的优点（B）。 A.低复杂度 B.高功率 C.近距离 D.低数据速率 2、在ZigBee技术中，PHY层和 MAC层采用（A）协议标准。 A.IEEE 802.15.4 B. IEEE 802.11b C.IEEE 802.11a D.IEEE 802.12 3、在IEEE 802.15.4标准协议中，规定了2.4GHz物理层的数据传输速率为（C）。 A.100kb/s B.200kb/s C.250kb/s D.350kb/s 4、ZigBee，这个名字来源于_______使用的赖以生存和发展的通信方式。（B） A.狼群 B.蜂群 C.鱼群 D.鸟群 判断题 1、从应用角度看，通信的本质就是端点到端点的连接，端点之间的通信是通过称之为簇的网路连接实现的。【错】改正：从应用角度看，通信的本质就是端点到端点的连接，端点之间的通信是通过称之为簇的数据结构实现的。 2、根据IEEE802.15.4标准协议，ZigBee的工作频段分为848MHz、900MHz、2.4GHz 。【错】 改正：根据IEEE802.15.4标准协议，ZigBee的工作频段分为868MHz、915MHz、2.4GHz。 3、应用层、网络/安全层、介质访问控制层、物理层均属于ZigBee技术的体系
ZigBee技术—让无线无所不在
ZigBee无线数据通信模块
工业级高品质无线通信
深圳市金图旭昂通讯科技有限公司 https://www.doczj.com/doc/19237232.html,
内 容 概 要
ZigBee技术简介
ZigBee技术—让无线无所不在
旭昂电子ZigBee无线通信模块介绍
ZigBee技术专业开发商
ZigBee技术应用解决方案
ZigBee技术应用：无线传感器网络、数据采集、 工业控制、智能楼宇、医疗设备…
ZigBee技术简介—什么是ZigBee
ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低 复杂度的无线网络技术。 ZigBee 采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部 优点：省电、简单、成本又低的规格； ZigBee增加了逻辑网络、网 络安全和应用层。
ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、 汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。
ZigBee技术简介 —短程无线网络标准
WWAN
IEEE 802.22 IEEE 802.20
传 输 范 围
WLAN WMAN
WiMax IEEE 802.16 WiFi 802.11
WPAN 0.01
ZigBee 802.15.4 Bluetooth 802.15.1
802.15.3 802.15.3a 802.15.3c 100 1000
0.1
1 10 数据传输率 (Mbps)
ZigBee技术介绍 ZigBee”是什么从字面上猜像是一种蜜蜂。因为“ZigBee”这个词由“Zig”和“Bee”两部分组成，“Zig”取自英文单词“zigzag”，意思是走“之”字形，“bee”英文是蜜蜂的意思，所以“ZigBee”就是跳着“之”字形舞的蜜蜂。不过，ZigBee并非是一种蜜蜂，事实上，它与蓝牙类似是一种新兴的短距离无线通信技术，国内也有人翻译成“紫蜂” 紫蜂技术是一种新的短距离无线通信技术，其英文名为ZigBee，是由英国Invensys 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦等公司在2002年10月共同提出设计研究开发具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术。在此项新技术推出的同时，上述几家公司宣布组成ZigBee技术联盟，目前，该技术联盟已发展到100多家公司和标准化组织，涵盖了芯片制造商、软件开发商、系统集成商等，而且，这个技术联盟还在不断地发展壮大。世界上各大公司和组织普遍看好ZigBee技术及其未来的应用潜力和价值，2003年11月，IEEE正式发布了该项技术物理层和MAC层所采用的标准协议，即IEEE 802．15．4协议标准，该协议标准作为ZigBee技术的物理层和媒体接入层的标准协议，2004年12月，ZigBee联盟正式发布了该项技术标准，标准的正式发布，进一步推进和加速了ZigBee技术的实际应用，许多公司和生产商陆续推出了自己的芯片产品和开发系统，如飞思卡尔的MCl3192，Chipcon公司的CC2420、CC2430，Atmel公司的AT86RF210等，该技术发展速度之快，远远超出了人们当初的想象。 随着半导体技术、微系统技术、通信技术和计算机技术的飞速发展，无线传感器网络的研究和应用正在世界各地蓬蓬勃勃地展开，具有体积小、功耗低的ZigBee技术无疑成为目前无线传感器网络中，作为无线通信应用的首选技术之一，因此，无论是自动控制领域、计算机领域、无线通信领域对ZigBee技术的发展、研究和应用都寄予了极大的关注和重视。 由于ZigBee的数据速率比较低，在的频段上有250kb/s，我们主要聚焦于一些低速率的应用，比如人们早就给它找好的一个应用领域，那就是传感和控制。从可靠性上讲，ZigBee 有很多方面的保证，首先是物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰，而MAC
浅析Zigbee技术 【摘要】本文旨在阐述Zigbee技术，详细介绍了Zigbee技术的距离短、功耗低、网络容量大、数据传输可靠性高的特点，以及Zigbee协议栈对Zigbee网络的物理层、数据链路层、网络层以及应用层的通信标准的定义，从而实现Zigbee 网络的数据通信。 【关键词】 Zigbee；协议栈；低功耗；低速率 1概述 随着科学技术的不断发展，人们对于日常生活质量的要求越来越高，加上网络移动终端设备的逐渐普及，人们迫切希望能够随时随地地享受到网络服务，也就催生了无线网络的发展和在人们日常生活中的应用。目前，无线网络已经成为人们日常生活的不可缺少的一部分，使得人们的各种网络设备、PC机以及音频视频设备能够快速方便安全的无线连接，加快了家庭的自动化、生活节能化的发展。然而，不同设备和环境对于不同的无线网络的要求不同，例如一些简单的近距离低速传输的常用的家庭设备，如果采用复杂的通信协议，不仅会对设备造成电能的消耗，而且还会浪费通信资源，增加成本，所以需要采用相应的通信协议来进行设备之间的通信和数据传输。Zigbee通信技术是一种应用在通信距离短、传输速度低的设备之间的通信技术，可以对一些通信数据量小的设备提供低成本、低功耗、组网大的技术支持，从而实现家庭或者部分工业生产的无线网络的应用。 2Zigbee技术特点 无线传输协议一直都是朝着大的传输距离以及高的数据通信速率的方向发展。例如移动通信网络的发展历程，从第一代、第二代的传输语音、文字的通信网络到当前第三代、第四代的高速传输视频等媒体的移动通信网络，无论是传输距离还是传输速率上都有了很大的提升。然而Zigbee技术，却处在短距离和低速率的无线网络应用范围，并且其功耗低、容量大、可靠性高等特点，在一些固定低成本功耗低的设备中广泛应用。 基于Zigbee协议的直接的有效通信距离在40m到135m之间，所以在单级设备之间，通信距离是很近的，但是，Zigbee协议支持多级Zigbee路由共连，从而将Zigbee网络的有效通信距离扩大到数百米甚至上千米。Zigbee技术功耗是非常低的，在工作状态下只有30mW，而在休眠状态下仅仅有1μW，所以，一般的直流电池可供Zigbee设备工作6个月到两年不等。Zigbee技术抗干扰能力比较强，其在物理层使用扩频技术，在MAC层增加了talkwhenready的应答重传机制，可以有效地抵抗干扰来确保数据传输的可靠性。基于Zigbee协议的网络可以容纳的网络节点是非常庞大的，理论上，每个Zigbee网络可容纳255
Zigbee技术的几大难题 尽管 Zigbee技术在2004年，就被列为当今世界发展最快，最具市场前景的十大新技术之一； 关于Zigbee技术的优点，大家在论坛上也进行了许多讨论，到目前为止，国内外许多厂商也都开发生产了各种各样的 Zigbee产品，并在应用推广上做了大量的工作，然而，实事求是的讲，真正完全使用Zigbee技术来解决具体实际问题，有意义的案例则非常有限。Zigbee似乎成了一种时髦，但眼下还不能做到真正实用的新技术。就其原因，除了作为一种新技术，它本身需要有一个技术改进和成熟，以及市场培育的过程外，我们在长期应用Zigbee技术来解决实际问题的实践中，还发现如下几个十分重要，而在短期内我们认为十分难以解决的问题： 1． Zigbee的核心技术之一，是动态组网和动态路由，即Zigbee网络考虑了网络中的节点增减变化，网络中的每个节点相隔一定时间，需要通过无线信号交流的方式重新组网，并在每一次将信息从一个节点发送到另一个节点时，需要扫描各种可能的路径，从最短的路经尝试起，这就涉及到无线网络的管理问题。而这些，都需要占用大量的带宽资源，并增加数据传输的时延。特别是随着网络节点数目的增加和中转次数增多。因而，尽管Zigbee的射频传输速率是250kbps 但经过多次中转后的实际可用速率将大大降低，同时数据传输时延也将大大增加，无线网络管理也就变得越麻烦。这也就是目前Zigbee网络在数据传输时的主要问题。
2． Zigbee这个字，从英语的角度来分析，它是由“Zig”和“bee”两个字组成。前者“Zig”中文的意思是“之“字形的路径，后面一个英文单词“bee”就是蜜蜂的意思，我们的理解，Zigbee网络技术，就是模仿蜜蜂信息传递的方式，通过网络节点之间信息的相互互传，来将一个信息从一个节点传输到远处的另外一个节点。如果按一般标准Zigbee节点，在开阔空间每次数据中转平均增加50米直线传输距离计算，传输500米直线距离需要中转十次；在室内，由于Zigbee 所使用的2.4 G的传输频率，一般是通过信号反射来进行传输的，由于建筑物的遮挡，要传输一定的距离，往往需要使用较多的网络节点来进行数据中转，如上述第一条中的分析，这对一个Zigbee网络来讲，并不是一件简单的事情。当然，我们也可使用放大器来增加Zigbee 网络节点的传输距离，然而，这必然要大大增加网络节点的功耗和成本，失去了Zigbee低成本低功耗的本来目的。而且，在室内使用这种方法来增加传输距离，效果也有限。显然，一种通过中心点在室外，终端模块在室外的星状网网络通信结构更加合理。 3．Zigbee的核心技术之一，是每一个网络节点，除了自身作为信息采集点和执行来自中心的命令外，它还承担着随时来自网络的数据中转任务，这样，网络节点的收发机必须随时处于收发接收状态，这就是说它的最低功耗至少在20mA左右，一般使用放大器的远距离网络节点，其耗电量一般在150mA左右。这显然很难使用电池驱动来保证网络节点的正常工作； 4．由于Zigbee中的每一个节点，都参与自动组网和动态路由的工作，
ZigBee技术优势简介 ZigBee技术是的设计目标是保证在低电耗的前提下，开发一种易部署、低复杂度、低成本、短距离、低速率的自组织无线网络，在工业控制、家庭智能化、无线传感器网络等领域有广泛的应用前景。简而言之，ZigBee是一种便宜的低功耗的近距离无线组网技术。 ZigBee具有以下技术优势： 1、低功耗。工作模式下，ZigBee技术的传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短。其次，在非工作模式情况下，ZigBee的节点处于休眠状态。设备搜索延迟一般为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备接入信道时延为15 ms。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节点非常省电。ZigBee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右，对于某些占空比（工作时间/（工作时间+休眠时间））小于1%的应用，电池的寿命甚至可以超过十年。相比较蓝牙仅能工作数周，WIFI仅可工作数小时。 2、低成本。通过大幅简化协议，降低了对节点存储和计算能力的要求，。根据研究以8051的8位微控制器测算，全功能设备需要32K的代码，精简功能只需要4KB的代码，而且ZigBee协议专利免费。 3、低速率。ZigBee工作在20-250kbit/s的较低速率，分别提供250kbit/s （2.4GHz）、40kbit/s（915MHz）和20kbit/s（868MHz）的原始数据吞吐率，
能够满足低速率传输数据的应用要求。 4、近距离。ZigBe设备点对点的传输范围一般介于10-100米之间。在增加射频发射功率后，传输范围可增加到1-3km。如果通过路由和节点间的转发，传输距离可以更远。 5、短时延。ZigBee响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需要15ms。节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较蓝牙需要3-10秒，WIFI 需要3秒。 6、网络容量大。ZigBee低速率、低功耗和短距离传输的特点使得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)。对于全功能器件，要求它支持所有的49个参数。而对于简化功能器件，在最小配置时只要求他支持38个参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按3种方式工作，分别是个域网协调器、协调器或器件。而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。一个ZigBee的网络节点最多包括有255个ZigBee网络节点，其中有一个是主控（Master）设备，其余则是从属（Slove）设备。若是通过网络协调器（Network Coordinator），整个网络可以支持超过64000个ZigBee网络节点，再加上各个网络协调器可以相互连接，整个ZigBee的网络节点的数目将是十分可观。 7、高安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能。在数据传输过程中提