2.6 ZigBee

ZigBee一詞源自蜜蜂群在發現花粉位置時，通過鋸齒形（zigzag）舞蹈來告知同伴，達到交換信息的目的，可以說這是一種小動物通過簡捷方式實現的“無線”溝通。ZigBee技術是一種面向自動化和無線控制的低速率、低功耗、低價格的無線網絡方案，在該方案被提出一段時間后，IEEE 802.15.4工作組也開始了一種低速率無線通信標準的制定工作，最終ZigBee聯盟和IEEE 802.15.4工作組決定合作共同制定一種通信協議標準，該協議被命名為“ZigBee”。

ZigBee的通信速率要求低于藍牙，通過電池供電為設備提供無線通信功能，同時希望在不更換電池且不充電的情況下能正常工作幾個月甚至幾年。ZigBee支持Mesh型網絡拓撲結構，網絡規模可以比藍牙大得多。ZigBee無線設備工作在公共頻段上（全球為2.4GHz，美國為915MHz，歐洲為868MHz），傳輸距離為10~75m，具體數值取決于射頻環境以及特定應用條件下的傳輸功耗。ZigBee的通信速率在2.4GHz時為250kbit/s，在915MHz時為40kbit/s，在868MHz時為20kbit/s。

2.6.1 ZigBee與IEEE 802.15.4的分工

IEEE 802.15.4是一個新興的無線通信協議，是IEEE確定的低速個人域網絡（Personal Area Network，PAN）標準。這個標準定義了物理層和MAC層：物理層規范確定無線網絡的工作頻段以及該頻段上傳輸數據的基準傳輸率；MAC層規范定義了在同一區域工作的多個802.15.4無線信號如何共享空中頻段。

但是，僅僅定義物理層和MAC層并不能完全解決問題，因為沒有統一的使用規范，不同廠家生產的設備存在兼容性問題，于是ZigBee聯盟應運而生。這種技術以前又稱作HomeRF Lite、RF-Easy Link或Fire Fly無線電技術，主要用于近距離無線通信，目前統一稱為ZigBee技術。ZigBee從IEEE 802.15.4標準開始著手，定義了允許不同廠商制造的設備相互兼容的應用綱要。

ZigBee從誕生到現在只有十幾年時間，最初在2002年由英國的英維思（Invensys）、美國的摩托羅拉、荷蘭的飛利浦、日本的三菱等幾家公司聯合成立了ZigBee聯盟，合力推動ZigBee技術。2004年12月，ZigBee 1.0版標準正式發布；到了2006年，ZigBee聯盟已經由最初十多家公司發展到全世界150多家知名廠商加盟的商業團體，其標準版本也升級到ZigBee 1.1；2016年5月，ZigBee聯盟聯合ZigBee中國成員組成員，面向亞洲市場正式推出ZigBee 3.0，加速推動ZigBee技術在更多領域的應用和完善，這也是目前ZigBee技術的最新標準。

2.6.2 ZigBee與IEEE 802.15.4的區別

IEEE PAN工作組的IEEE 802.15.4技術標準是ZigBee技術的基礎，IEEE 802.15.4標準旨在為低能耗的簡單設備提供有效覆蓋范圍在10m左右的低速連接，可廣泛用于交互玩具、庫存跟蹤監測等消費與商業應用領域，傳感器網絡是其主要市場對象。

IEEE 802.15.4定義了3個工作頻帶：2.4GHz、915MHz和868MHz，每個頻帶提供固定數量的信道。例如，2.4GHz頻帶總共提供16個信道（信道11~26）、915MHz頻帶提供10個信道（信道1~10），而868MHz頻帶提供1個信道（信道0）。協議的比特率由所選擇的工作頻率決定：2.4GHz頻帶提供的數據速率為250kbit/s，915MHz頻帶提供的數據速率為40kbit/s，而868MHz頻帶提供的數據速率為20kbit/s。由于數據包開銷和處理延遲，實際的數據吞吐量會小于規定的比特率。IEEE 802.15.4的MAC數據包的最大長度為127B，每個數據包都由頭字節和16位CRC值組成，16位CRC值用于驗證幀的完整性；此外，IEEE 802.15.4還可以選擇使用應答數據傳輸機制，所有特殊ACK標志位置為1的幀均會被它們的接收器應答，這樣就可以確定幀實際上已經被傳遞了。如果發送幀時置位了ACK標志位且在一定的超時期限內沒有收到應答，發送器將重復進行固定次數的發送，如仍無應答就宣布發生錯誤。注意接收到應答僅僅表示幀被MAC層正確接收，而不表示幀被正確處理，這是非常重要的。接收節點的MAC層可能正確地接收并應答了一個幀，但是由于缺乏處理資源，該幀可能被上層丟棄，因此很多上層和應用程序要求其他的應答響應。

ZigBee和IEEE 802.15.4兩者之間的區別和聯系如下：

1）ZigBee完整而充分地利用了IEEE 802.15.4定義的功能強大的物理特性優點。

2）ZigBee增加了邏輯網絡和應用軟件。

3）ZigBee基于IEEE 802.15.4射頻標準，同時ZigBee聯盟通過與IEEE的緊密合作來確保一個集成的、完整的市場解決方案。

4）IEEE 802.15.4工作組主要負責制定物理層和MAC層標準，而ZigBee負責網絡層、安全層以及應用層的開發。

2.6.3 ZigBee協議框架

相對于常見的無線通信標準，ZigBee協議比較緊湊、簡單，ZigBee協議棧的體系結構主要由物理層、數據鏈路層（分為MAC子層和LLC子層）、網絡層、應用匯聚層及應用層組成，如圖2-7所示。其中物理層和MAC層采用IEEE 802.15.4協議標準，而網絡層和應用層則由ZigBee聯盟制定，各層之間均有數據服務接口和管理實體接口。下面對各層協議的功能進行簡單的介紹。

應用層定義了各種類型的應用業務，是協議棧的最上層用戶。

應用匯聚層負責把不同的應用映射到ZigBee網絡層上，包括安全與鑒權、多個業務數據流的匯聚、設備發現和業務發現。

網絡層的功能包括拓撲管理、路由管理和安全管理。

數據鏈路層又可分為邏輯鏈路控制（LLC）子層和介質訪問控制（MAC）子層。IEEE 802.15.4的LLC子層與IEEE 802.2的相同，功能包括傳輸可靠性保障、數據包的分段與重組、數據包的順序傳輸。IEEE 802.15.4的MAC子層通過SSCS（Service-Specific Convergence Sublayer）協議能支持多種LLC標準，功能包括設備間無線鏈路的建立、維護和拆除，確認模式的幀傳送與接收，信道接入控制、幀校驗、預留時隙管理和廣播信息管理。

物理層采用直接序列擴頻技術，定義了三種頻率等級。

2.6.4 ZigBee技術的特點

1）低速率短時延。最大傳輸速率為250kbit/s，搜索設備時延30ms，信道接入時延15ms，休眠激活時延15ms，適用于對時延要求苛刻的無線控制應用。

2）低功耗。節點在非工作模式時可休眠，模式切換時延短，且技術協議中對電池的使用進行了優化，一般采用電池供電方式可工作半年至數年。

3）低成本。由于協議棧相對于藍牙、Wi-Fi要精簡得多，對通信控制器的要求低，大大降低了器件成本；且協議棧為免專利費用，進一步降低了軟件成本。

4）大容量網絡。一個ZigBee網絡支持255個設備，通過網絡協調器最多可支持65000多個ZigBee網絡節點，非常適合大面積無線傳感器網絡的布建需求。

5）近距離通信。由于低功耗特點，設備發射功率小，兩個節點間的通信距離為10~100m，加大發射功率后，可達1~3km。通過相鄰節點的連續通信傳輸，可以建立設備的多跳通信鏈路，使實際通信距離大幅增加。

6）自組織、自配置。協議中加入了關聯和分離功能，協調器能自動建立網絡，節點設備可隨時加入和退出，是一種自組織、自配置的組網模式。

2.6.5 網絡層規范

網絡層是位于數據鏈路層之上與應用層交互的一個協議層，其主要功能是設備的發現和配置、網絡的建立與維護、路由的選擇以及廣播通信，具有自我組網與自我修復的功能。為了與應用層交互，網絡層邏輯上包含兩個服務實體：數據服務實體（NLDE）和管理服務實體（NLME）。

NLDE-SAP是網絡層提供給應用層的數據服務接口，用于將應用層提供的數據打包成應用層協議數據單元，并將其傳輸給網絡層的相應節點；或者將接收到的應用層協議數據單元進行解包，將解包后得到的數據傳送給本層節點，也就是說NLDE-SAP實現兩層之間的數據傳輸，主要任務如下。

1）發現一個網絡并且分配網絡地址（網絡協調器）。

2）向網絡中添加設備或從網絡中移除設備。

3）將消息路由到目的節點。

4）對發送的數據進行加密。

5）在網狀網絡中執行路由尋址并儲存路由表。

網絡層（NWK）幀即網絡協議數據單元（NPDU），由兩個基本部分組成：NWK頭和NWK有效載荷。NWK頭部分包含幀控制、地址和序號等信息；NWK有效載荷部分包含的信息因幀類型的不同而不同，長度可變，其一般格式如表2-2所示。

網絡層定義了兩種類型的設備：全功能設備（Full Function Device，FFD）和簡化功能設備（Reduced Function Device，RFD）。FFD作為網絡協調器，支持各種拓撲結構的網絡的建立，也可以和任一設備進行通信；而RFD只能和FFD進行通信，功能和結構比較簡單，可以有效地降低成本和功耗。

網絡層支持的網絡拓撲結構有三種：星形結構（Star）、樹形結構（Cluster tree）和網狀結構（Mesh），如圖2-8所示：

1）星形網絡為主從結構，由單個網絡協調器和多個終端設備組成，網絡的協調者必須是FFD，由它負責管理和維護網絡。

2）樹形網絡可以看成是擴展的單個星形網或者相當于互聯的多個星形網絡。

3）網狀網絡中的每一個FFD同時還可以作為路由器，根據網絡路由協議來優化最短和最可靠的路徑。

2.6.6 應用層規范

應用層包括應用支持子層（APS）、應用框架（AF）、ZigBee設備對象（ZDO）。除了提供一些必要的函數以及服務接口外，應用層的另一個重要功能是可以根據具體應用的需要在此層基礎上開發用戶自己的應用對象。

APS提供了網絡層和應用層之間的接口，通過數據服務和管理服務把兩者連接起來。APS的作用是維護設備綁定表，在綁定的設備間傳輸信息，同時能發現在工作范圍內操作的其他設備。

每個APS幀（APDU）包括兩個基本部分：APS幀頭和APS有效載荷。APS幀頭由幀控制信息和地址信息組成；APS有效載荷是與幀相關的有效信息，長度可變，APS幀結構的一般格式如表2-3所示。

ZDO的作用是定義網絡中其他設備的角色、發起或回應綁定請求、在網絡設備間建立安全機制等。ZigBee定義了3種類型的ZOD設備。

1）網絡協調者：全功能設備，負責掃描搜索，用未使用的信道建立新網絡，分配網絡位置。

2）路由器：全功能設備，允許其他設備連接，負責轉發信息包，同時負責找尋、建立和修復信息包的路由路徑。

3）終端設備：簡化功能設備，不具備路由功能，只能選擇加入已經形成的網絡，可以收發信息，但不能轉發信息。

應用框架（AF）是應用對象和ZigBee設備連接的環境，應用對象處于應用層的頂部，由設備制造商決定，每個應用對象通過相應的端點尋址，最多可定義240個不同的端口號（1~240），端口號241~254保留以作將來的應用，端口0是當前對象的數據接口，端口255是向整個網絡所有應用對象的廣播數據接口。