一、什么是Zigbee
ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術。具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低等優(yōu)勢。
ZigBee是介于無線標識技術和藍牙之間的一種技術，主要用于近距離無線連接。它有自己的無線電標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間互相協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們之間的通信效率非常高。
二、Zigbee工作原理
ZigBee是一組基于IEEE 802.15.4無線標準研制開發(fā)的有關組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的通信技術。IEEE 802.15.4是IEEE確定低速無線個人局域網(wǎng)的標準，這個標準定義了物理層（Physical Layer，PHY）和媒體接入控制層（Media Access Control Layer，mac）。ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡層（Network Layer）和應用層（Application Layer）進行了標準化。應用層的開發(fā)應用根據(jù)用戶自己的應用需要，對其進行開發(fā)利用，因此該技術能夠為用戶提供機動、靈活的組網(wǎng)方式。
2.1、物理層
物理層定義物理無線信道和MAC層之間的接口，提供物理層數(shù)據(jù)服務和物理層管理服務。物理層數(shù)據(jù)服務是從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務維護一個由物理層相關數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。IEEE 802.15.4定義了2.4 GHz和868/915 MHz兩個物理層，它們基于直接序列擴頻（Direct Sequence Spread Spectmm，DSSS）數(shù)據(jù)包格式，它們在工作頻帶、擴頻參數(shù)、數(shù)據(jù)參數(shù)和適用區(qū)域等方面都存在著一定的差異。
ZigBee物理層分組結構：其中前導碼4B，主要用于前導同步；分組定界1B，標志分組的開始；物理層頭1B，表示數(shù)據(jù)單元的長度；數(shù)據(jù)單元用于承載傳輸數(shù)據(jù)。
2.2、MAC層
IEEE802系列標準將數(shù)據(jù)鏈路層分成邏輯鏈路控制（L09 iocl Link Control，LLC）和媒介接入控制（Media Access Control，MAC）兩個子層。其中，LLC子層在IEEE 802.6中定義為IEEE 802標準系列共用，而MAC子層協(xié)議依賴于各自的物理層。
IEEE 802.15.4的MAC層支持多種LLC標準，通過SSCS（Service-Speci6c Convergence Sub-layer）務相關會聚子層協(xié)議承載IEEE 802.2類型的LLC標準，且允許其他LLC標準直接使用IEEE 802.15.4MAC層的服務。
考慮到Zig Bee MAC層的設計應盡可能地降低成本、易于實現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸可靠、短距離操作以及低功耗，因此采用了簡單靈活的協(xié)議，其幀有4種類型：數(shù)據(jù)幀、標志幀、命令幀和確認幀。
ZigBee采用載波偵聽多址/沖突（CSMA/CD）的信道接入方式和完全握手協(xié)議。
2.3、網(wǎng)絡層
網(wǎng)絡層（NWK）是位于MAC與應用層（APL）之間的一個協(xié)議層。網(wǎng)絡層的任務是通過正確操作MAC層提供的功能來向應用層提供合適的服務接口。為了實現(xiàn)與應用層的通信，網(wǎng)絡層定義了兩個服務實體：數(shù)據(jù)服務實體（NLDE）和管理服務實體（NLME）。數(shù)據(jù)服務實體（NLDE）通過數(shù)據(jù)服務實體服務訪問點（NLDE-SAP）來提供數(shù)據(jù)傳輸服務；管理服務實體（NLME）通過管理服務實體訪問點（NLME-SAP）來提供管理服務。
在ZigBee協(xié)議中，網(wǎng)絡層主要負責新建網(wǎng)絡、接入網(wǎng)絡、退出網(wǎng)絡和網(wǎng)絡報文的路由傳輸?shù)裙δ堋?/p>
根據(jù)設備所具有的通信能力，ZigBee網(wǎng)絡中主要有兩種無線設備，即全功能設備（Full-Function Device，F(xiàn)FD）和精簡功能設備（Reduced-Function Device，RFD）。FFD之間及FFD和RFD之間都可以相互通信；但RFD只能與FFD通信，而不能與其他RFD通信。RFD主要用于簡單的控制應用，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，對傳輸資源和通信資源占用不多，可以采用相對廉價的實現(xiàn)方案，在網(wǎng)絡結構中一般作為通信終端。FFD則需要功能相對較強的MCU，一般在網(wǎng)絡結構中擁有網(wǎng)絡控制和管理的功能。
從網(wǎng)絡拓撲的角度來看，ZigBee設備主要有3種角色：網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者、網(wǎng)絡路由器和網(wǎng)絡終端設備。其中網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者主要負責網(wǎng)絡的建立，以及網(wǎng)絡的相關配置；路由器主要負責找尋、建立以及修復網(wǎng)絡報文的路由信息，并負責轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡報文；網(wǎng)絡終端具有加入、退出網(wǎng)絡的功能，并可以接收和發(fā)送網(wǎng)絡報文，但終端設備不允許路由轉(zhuǎn)發(fā)報文。通常協(xié)調(diào)者和路由器節(jié)點一般由FFD功能設備構成，終端設備由RFD設備組成。
ZigBee支持3種通信設備的網(wǎng)絡拓撲，即星形（Star）網(wǎng)絡、網(wǎng)狀（Mesh）網(wǎng)絡和簇狀（Cluster Tree）網(wǎng)絡。
Star網(wǎng)絡是一種常用且適用于長期運行使用操作的網(wǎng)絡；Mesh網(wǎng)絡是一種高可靠性檢測網(wǎng)絡，它通過無線網(wǎng)絡連接可提供多個數(shù)據(jù)通信通道，即它是一個高級別的冗余性網(wǎng)絡，一旦設備數(shù)據(jù)通信發(fā)生故障，則存在另一個路徑可供數(shù)據(jù)通信；Cluster Tree網(wǎng)絡是Star/Mesh的混合型拓撲結構，結合了上述兩種拓撲結構的優(yōu)點。
網(wǎng)絡初始化預備
Zigbee網(wǎng)絡的建立是由網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器發(fā)起的，任何一個zigbee節(jié)點要組建一個網(wǎng)絡必須要滿足以下兩點要求：
（1）節(jié)點是FFD節(jié)點，具備zigbee協(xié)調(diào)器的能力；
（2）節(jié)點還沒有與其他網(wǎng)絡連接，當節(jié)點已經(jīng)與其他網(wǎng)絡連接時，此節(jié)點只能作為該網(wǎng)絡的子節(jié)點，因為一個zigbee網(wǎng)絡中有且只有一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器。
FFD：Full FuncTIon Device 全功能節(jié)點
RFD：Reduced FuncTIonDevice 半功能節(jié)點
網(wǎng)絡初始化流程
1、確定網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器：
首先判斷節(jié)點是否是FFD節(jié)點，接著判斷此FFD節(jié)點是否在其他網(wǎng)絡里或者網(wǎng)絡里是否已經(jīng)存在協(xié)調(diào)器。通過主動掃描，發(fā)送一個信標請求命令（Beaconrequest command），然后設置一個掃描期限（T_scan_duraTIon），如果在掃描期限內(nèi)都沒有檢測到信標，那么就認為FFD在其pos內(nèi)沒有協(xié)調(diào)器，那么此時就可以建立自己的zigbee網(wǎng)絡，并且作為這個網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器不斷地產(chǎn)生信標并廣播出去。
注意：一個網(wǎng)絡里，有且只能有一個協(xié)調(diào)器（coordinator）。
2、進行信道掃描過程。
包括能量掃描和主動掃描兩個過程：首先對指定的信道或者默認的信道進行能量檢測，以避免可能的干擾。以遞增的方式對所測量的能量自進行信道排序，拋棄那么些能量值超出了可允許能量水平的信道，選擇可允許能量水平的信道并標注這些信道是可用信道。接著進行主動掃描，搜索節(jié)點通信半徑內(nèi)的網(wǎng)絡信息。這些信息以信標幀的形式在網(wǎng)絡中廣播，節(jié)點通過主動信道掃描方式獲得這些信標幀，然后根據(jù)這些信息，找到一個最好的、相對安靜的信道，通過記錄的結果，選擇一個信道，該信道應存在最少的zigbee網(wǎng)絡，最好是沒有zigbee設備。在主動掃描期間，MAC層將丟棄PHY層數(shù)據(jù)服務接收到的除信標以外的所有幀。
3、設置網(wǎng)絡ID。
找到合適的信道后，協(xié)調(diào)器將為網(wǎng)絡選定一個網(wǎng)絡標識符（PAN ID，取值《=0x3FFF），這個ID在所使用的信道中必須是唯一的，也不能和其他zigbee網(wǎng)絡沖突，而且不能為廣播地址0xFFFF（此地址為保留地址，不能使用）。PAN ID可以通過偵聽其他網(wǎng)絡的ID然后選擇一個不會沖突的ID的方式來獲取，也可以人為的指定掃描的信道后，來確定不和其他網(wǎng)絡沖突的PAN ID。
在zigbee網(wǎng)絡中有兩種地址模式：擴展地址（64位）和短地址（16位），其中擴展地址由IEEE組織分配，用于唯一的設備標識；短地址用于本地網(wǎng)絡中設備標識，在一個網(wǎng)絡中，每個設備的短地址必須唯一，當節(jié)點加入網(wǎng)絡時由其父節(jié)點分配并通過使用短地址來通信。對于協(xié)調(diào)器來說，短地址通常設定為0x0000。
上面步驟完成后，就成功初始化了zigbee網(wǎng)狀網(wǎng)絡，之后就等待其他節(jié)點的加入。節(jié)點入網(wǎng)時將選擇范圍內(nèi)信號最強的父節(jié)點（包括協(xié)調(diào)器）加入網(wǎng)絡，成功后將得到一個網(wǎng)絡短地址并通過這個地址進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，網(wǎng)絡拓撲關系和地址就會保存在各自的flash中。
4.節(jié)點通過協(xié)調(diào)器加入網(wǎng)絡
當節(jié)點協(xié)調(diào)器確定之后，節(jié)點首先需要和協(xié)調(diào)器建立連接加入網(wǎng)絡。
為了建立連接，F(xiàn)FD節(jié)點需要向協(xié)調(diào)器提出請求，協(xié)調(diào)器接收到節(jié)點的連接請求后根據(jù)情況決定是否允許其連接，然后對請求連接的節(jié)點做出響應，節(jié)點與協(xié)調(diào)器建立連接后，才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。節(jié)點加入網(wǎng)絡的具體流程可以分為下面的步驟：
查找網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器。
首先會主動掃描查找周圍網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，如果在掃描期限內(nèi)檢測到信 標，那么將獲得了協(xié)調(diào)器的有關信息，這時就向協(xié)調(diào)器發(fā)出連接請求。在選擇合適的網(wǎng)絡之后，上層將請求MAC層對物理層PHY和MAC層的phyCurrentChannel、macPANID等PIB屬性進行相應的設置。如果沒有檢測到，間隔一段時間后，節(jié)點重新發(fā)起掃描。
發(fā)送關聯(lián)請求命令（Associaterequest command）。
節(jié)點將關聯(lián)請求命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到后立即回復一個確認幀（ACK），同時向它的上層發(fā)送連接指示原語，表示已經(jīng)收到節(jié)點的連接請求。但是這并不意味著已經(jīng)建立連接，只表示協(xié)調(diào)器已經(jīng)收到節(jié)點的連接請求。當協(xié)調(diào)器的mac層的上層接收到連接指示原語后，將根據(jù)自己的資源情況（存儲空間和能量）決定是否同意此節(jié)點的加入請求，然后給節(jié)點的mac層發(fā)送響應。
等待協(xié)調(diào)器處理。
當節(jié)點收到協(xié)調(diào)器加入關聯(lián)請求命令的ACK后，節(jié)點mac將等待一段時間，接受協(xié)調(diào)器的連接響應。在預定的時間內(nèi)，如果接收到連接響應，它將這個響應向它的上層通告。而協(xié)調(diào)器給節(jié)點的mac層發(fā)送響應時會設置一個等待響應時間（T_ResponseWaitTIme）來等待協(xié)調(diào)器對其加入請求命令的處理，若協(xié)調(diào)器的資源足夠，協(xié)調(diào)器會給節(jié)點分配一個16位的短地址，并產(chǎn)生包含新地址和連接成功狀態(tài)的連接響應命令，則此節(jié)點將成功的和協(xié)調(diào)器建立連接并可以開始通信。若協(xié)調(diào)器資源不夠，待加入的節(jié)點將重新發(fā)送請求信息，直接入網(wǎng)成功。
發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令。
如果協(xié)調(diào)器在響應時間內(nèi)同意節(jié)點加入，那么將產(chǎn)生關聯(lián)響應命令（Associateresponse command）并存儲這個命令。當響應時間過后，節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令（Datarequest command）給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到后立即回復ACK，然后將存儲的關聯(lián)響應命令發(fā)給節(jié)點。如果在響應時間到后，協(xié)調(diào)器還沒有決定是否同意節(jié)點加入，那么節(jié)點將試圖從協(xié)調(diào)器的信標幀中提取關聯(lián)響應命令，成功的話就可以入網(wǎng)成功，否則重新發(fā)送請求信息直到入網(wǎng)成功。
回復。
節(jié)點收到關聯(lián)響應命令后，立即向協(xié)調(diào)器回復一個確認幀（ACK），以確認接收到連接響應命令，此時節(jié)點將保存協(xié)調(diào)器的短地址和擴展地址，并且節(jié)點的MLME向上層發(fā)送連接確認原語，通告關聯(lián)加入成功的信息。
5.節(jié)點通過已有節(jié)點加入網(wǎng)絡
當靠近協(xié)調(diào)器的FFD節(jié)點和協(xié)調(diào)器關聯(lián)成功后，處于這個網(wǎng)絡范圍內(nèi)的其他節(jié)點就以這些FFD節(jié)點作為父節(jié)點加入網(wǎng)絡了，具體加入網(wǎng)絡有兩種方式，一種是通過關聯(lián)（associate）方式，就是待加入的節(jié)點發(fā)起加入網(wǎng)絡；另一種是直接（direct）方式，就是待加入的節(jié)點具體加入到那個節(jié)點下，作為該節(jié)點的子節(jié)點。其中關聯(lián)方式是zigbee網(wǎng)絡中新節(jié)點加入網(wǎng)絡的主要途徑。
對于一個節(jié)點來說只有沒有加入過網(wǎng)絡的才能進行加入網(wǎng)絡。在這些節(jié)點中，有些是曾經(jīng)加入過網(wǎng)絡中，但是卻與它的父節(jié)點失去聯(lián)系（這樣的被稱為孤兒節(jié)點），而有些則是新節(jié)點。當是孤兒節(jié)點時，在它的相鄰表中存有原父節(jié)點的信息，于是它可以直接給原父節(jié)點發(fā)送加入網(wǎng)絡的請求信息。如果父節(jié)點有能力同意它加入，于是直接告訴它的以前被分配的網(wǎng)絡地址，它便入網(wǎng)成功；如果此時它原來的父節(jié)點的網(wǎng)絡中，子節(jié)點數(shù)已達到最大值，也就是說網(wǎng)絡地址已經(jīng)分配滿，父節(jié)點便無法批準它加入，它只能以新節(jié)點身份重新尋找并加入網(wǎng)絡。
而對于新節(jié)點來說，他首先會在預先設定的一個或多個信道上通過主動或被動掃描周圍它可以找到的網(wǎng)絡，尋找有能力批準自己加入網(wǎng)絡的父節(jié)點，并把可以找到的父節(jié)點的資料存入自己的相鄰表。存入相鄰表的父節(jié)點的資料包括zigbee協(xié)議的版本、協(xié)議棧的規(guī)范、PAN ID和可以加入的信息。在相鄰表中所有的父節(jié)點中選擇一個深度最小的，并對其發(fā)出請求信息，如果出現(xiàn)相同最小深度的兩個以上的父節(jié)點，那么隨機選取一個發(fā)送請求。如果相鄰表中沒有合適的父節(jié)點的信息，那么表示入網(wǎng)失敗，終止過程。如果發(fā)出的請求被批準，那么父節(jié)點同時會分配一個16位的網(wǎng)絡地址，此時入網(wǎng)成功，子節(jié)點可以開始通信。如果請求失敗，那么重新查找相鄰表，繼續(xù)發(fā)送請求信息，直到加入網(wǎng)絡。
2.4、應用層
應用層提供高級協(xié)議管理功能，使用應用層協(xié)議來管理協(xié)議棧，主要根據(jù)具體應用由用戶開發(fā)，維持器件的功能屬性，發(fā)現(xiàn)該器件工作空間中其他器件的工作，根據(jù)服務和需求使多個器件之間進行通信。
在無線通信技術上，ZigBee采用免沖突多載波信道接入（CSMA-CA）方式，有效地避免了無線電載波之間的沖突，此外，為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，建立了完整的應答通信協(xié)議。
三、Zigbee優(yōu)勢
(1)低功耗:在低功耗待機狀態(tài)下,兩節(jié)五號干電池可以使用6~24個月,甚至更長,從而免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這是zigbee的突出優(yōu)勢,特別適用于無線傳感器網(wǎng)絡。相比較而言,藍牙能工作數(shù)周,WIFI僅可工作數(shù)小時。
(2)低成本:通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的l/10),降低了對通信控制器的要求,按預測分析,以8051的8位微控制器測算,全功能的主節(jié)點需要32KB代碼,子功能節(jié)點僅需4KB代碼,而且ZigBee免協(xié)議專利費。
(3)數(shù)據(jù)傳輸速率低:ZigBee工作在20~250kbps的較低速率,它分別提供250kbps(2·4GHZ)、40kbPs(9l5MHz)和20kbps(868MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求。
(4)短時延:ZigBee的響應速度快,一般從休眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms,節(jié)點接入網(wǎng)絡只需30ms,節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30ms,進一步節(jié)省了電能。相比較,藍牙需要3~10 s、WiFi需要3 s。
(5)網(wǎng)絡容量大：一個星型結構的Zigbee網(wǎng)絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡,而且網(wǎng)絡組成靈活。
(6)有效范圍小:有效覆蓋范圍在10~75m之間,具體依據(jù)實際發(fā)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(huán)境。在增加RF發(fā)射功率后,亦可增加到1~3km。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力,傳輸距離將可以更遠。
(7)可靠:采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。
(8)安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權和認證，采用了AES-128的加密算法,各個應用可以靈活確定其安全屬性。
