一、什么是Zigbee

　ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術。具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低等優勢。

　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，在數千個微小的傳感器之間互相協調實現通信。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據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無線標準研制開發的有關組網、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聯盟對其網絡層（Network Layer）和應用層（Application Layer）進行了標準化。應用層的開發應用根據用戶自己的應用需要，對其進行開發利用，因此該技術能夠為用戶提供機動、靈活的組網方式。

2.1、物理層

　　物理層定義物理無線信道和MAC層之間的接口，提供物理層數據服務和物理層管理服務。物理層數據服務是從無線物理信道上收發數據，物理層管理服務維護一個由物理層相關數據組成的數據庫。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）數據包格式，它們在工作頻帶、擴頻參數、數據參數和適用區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，表示數據單元的長度；數據單元用于承載傳輸數據。

2.2、MAC層

　　IEEE802系列標準將數據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、數據傳輸可靠、短距離操作以及低功耗，因此采用了簡單靈活的協議，其幀有4種類型：數據幀、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議。

2.3、網絡層

網絡層（NWK）是位于MAC與應用層（APL）之間的一個協議層。網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。為了實現與應用層的通信，網絡層定義了兩個服務實體：數據服務實體（NLDE）和管理服務實體（NLME）。數據服務實體（NLDE）通過數據服務實體服務訪問點（NLDE-SAP）來提供數據傳輸服務；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協議中，網絡層主要負責新建網絡、接入網絡、退出網絡和網絡報文的路由傳輸等功能。

根據設備所具有的通信能力，ZigBee網絡中主要有兩種無線設備，即全功能設備（Full-Function Device，FFD）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，傳輸的數據量較少，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方案，在網絡結構中一般作為通信終端。FFD則需要功能相對較強的MCU，一般在網絡結構中擁有網絡控制和管理的功能。

從網絡拓撲的角度來看，ZigBee設備主要有3種角色：網絡協調者、網絡路由器和網絡終端設備。其中網絡協調者主要負責網絡的建立，以及網絡的相關配置；路由器主要負責找尋、建立以及修復網絡報文的路由信息，并負責轉發網絡報文；網絡終端具有加入、退出網絡的功能，并可以接收和發送網絡報文，但終端設備不允許路由轉發報文。通常協調者和路由器節點一般由FFD功能設備構成，終端設備由RFD設備組成。

　　ZigBee支持3種通信設備的網絡拓撲，即星形（Star）網絡、網狀（Mesh）網絡和簇狀（Cluster Tree）網絡。

　　Star網絡是一種常用且適用于長期運行使用操作的網絡；Mesh網絡是一種高可靠性檢測網絡，它通過無線網絡連接可提供多個數據通信通道，即它是一個高級別的冗余性網絡，一旦設備數據通信發生故障，則存在另一個路徑可供數據通信；Cluster Tree網絡是Star/Mesh的混合型拓撲結構，結合了上述兩種拓撲結構的優點。

網絡初始化預備

　　Zigbee網絡的建立是由網絡協調器發起的，任何一個zigbee節點要組建一個網絡必須要滿足以下兩點要求：

　　（1）節點是FFD節點，具備zigbee協調器的能力；

　　（2）節點還沒有與其他網絡連接，當節點已經與其他網絡連接時，此節點只能作為該網絡的子節點，因為一個zigbee網絡中有且只有一個網絡協調器。

　　FFD：Full FuncTIon Device 全功能節點

　　RFD：Reduced FuncTIonDevice 半功能節點

網絡初始化流程

　 1、確定網絡協調器：

　　首先判斷節點是否是FFD節點，接著判斷此FFD節點是否在其他網絡里或者網絡里是否已經存在協調器。通過主動掃描，發送一個信標請求命令（Beaconrequest command），然后設置一個掃描期限（T_scan_duraTIon），如果在掃描期限內都沒有檢測到信標，那么就認為FFD在其pos內沒有協調器，那么此時就可以建立自己的zigbee網絡，并且作為這個網絡的協調器不斷地產生信標并廣播出去。

　　注意：一個網絡里，有且只能有一個協調器（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，搜索節點通信半徑內的網絡信息。這些信息以信標幀的形式在網絡中廣播，節點通過主動信道掃描方式獲得這些信標幀，然后根據這些信息，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網絡，最好是沒有zigbee設備。在主動掃描期間，MAC層將丟棄PHY層數據服務接收到的除信標以外的所有幀。

　　3、設置網絡ID。

　　找到合適的信道后，協調器將為網絡選定一個網絡標識符（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，來確定不和其他網絡沖突的PAN ID。

　　在zigbee網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；短地址用于本地網絡中設備標識，在一個網絡中，每個設備的短地址必須唯一，當節點加入網絡時由其父節點分配并通過使用短地址來通信。對于協調器來說，短地址通常設定為0x0000。

　　上面步驟完成后，就成功初始化了zigbee網狀網絡，之后就等待其他節點的加入。節點入網時將選擇范圍內信號最強的父節點（包括協調器）加入網絡，成功后將得到一個網絡短地址并通過這個地址進行數據的發送和接收，網絡拓撲關系和地址就會保存在各自的flash中。

　　4.節點通過協調器加入網絡

　　當節點協調器確定之后，節點首先需要和協調器建立連接加入網絡。

　　為了建立連接，FFD節點需要向協調器提出請求，協調器接收到節點的連接請求后根據情況決定是否允許其連接，然后對請求連接的節點做出響應，節點與協調器建立連接后，才能實現數據的收發。節點加入網絡的具體流程可以分為下面的步驟：

　　 查找網絡協調器。

　　首先會主動掃描查找周圍網絡的協調器，如果在掃描期限內檢測到信 標，那么將獲得了協調器的有關信息，這時就向協調器發出連接請求。在選擇合適的網絡之后，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，節點重新發起掃描。

　　發送關聯請求命令（Associaterequest command）。

　　節點將關聯請求命令發送給協調器，協調器收到后立即回復一個確認幀（ACK），同時向它的上層發送連接指示原語，表示已經收到節點的連接請求。但是這并不意味著已經建立連接，只表示協調器已經收到節點的連接請求。當協調器的mac層的上層接收到連接指示原語后，將根據自己的資源情況（存儲空間和能量）決定是否同意此節點的加入請求，然后給節點的mac層發送響應。

　　 等待協調器處理。

　　當節點收到協調器加入關聯請求命令的ACK后，節點mac將等待一段時間，接受協調器的連接響應。在預定的時間內，如果接收到連接響應，它將這個響應向它的上層通告。而協調器給節點的mac層發送響應時會設置一個等待響應時間（T_ResponseWaitTIme）來等待協調器對其加入請求命令的處理，若協調器的資源足夠，協調器會給節點分配一個16位的短地址，并產生包含新地址和連接成功狀態的連接響應命令，則此節點將成功的和協調器建立連接并可以開始通信。若協調器資源不夠，待加入的節點將重新發送請求信息，直接入網成功。

　　 發送數據請求命令。

　　如果協調器在響應時間內同意節點加入，那么將產生關聯響應命令（Associateresponse command）并存儲這個命令。當響應時間過后，節點發送數據請求命令（Datarequest command）給協調器，協調器收到后立即回復ACK，然后將存儲的關聯響應命令發給節點。如果在響應時間到后，協調器還沒有決定是否同意節點加入，那么節點將試圖從協調器的信標幀中提取關聯響應命令，成功的話就可以入網成功，否則重新發送請求信息直到入網成功。

　 回復。

　　節點收到關聯響應命令后，立即向協調器回復一個確認幀（ACK），以確認接收到連接響應命令，此時節點將保存協調器的短地址和擴展地址，并且節點的MLME向上層發送連接確認原語，通告關聯加入成功的信息。

　　5.節點通過已有節點加入網絡

　　當靠近協調器的FFD節點和協調器關聯成功后，處于這個網絡范圍內的其他節點就以這些FFD節點作為父節點加入網絡了，具體加入網絡有兩種方式，一種是通過關聯（associate）方式，就是待加入的節點發起加入網絡；另一種是直接（direct）方式，就是待加入的節點具體加入到那個節點下，作為該節點的子節點。其中關聯方式是zigbee網絡中新節點加入網絡的主要途徑。

　　對于一個節點來說只有沒有加入過網絡的才能進行加入網絡。在這些節點中，有些是曾經加入過網絡中，但是卻與它的父節點失去聯系（這樣的被稱為孤兒節點），而有些則是新節點。當是孤兒節點時，在它的相鄰表中存有原父節點的信息，于是它可以直接給原父節點發送加入網絡的請求信息。如果父節點有能力同意它加入，于是直接告訴它的以前被分配的網絡地址，它便入網成功；如果此時它原來的父節點的網絡中，子節點數已達到最大值，也就是說網絡地址已經分配滿，父節點便無法批準它加入，它只能以新節點身份重新尋找并加入網絡。

　　而對于新節點來說，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絡，尋找有能力批準自己加入網絡的父節點，并把可以找到的父節點的資料存入自己的相鄰表。存入相鄰表的父節點的資料包括zigbee協議的版本、協議棧的規范、PAN ID和可以加入的信息。在相鄰表中所有的父節點中選擇一個深度最小的，并對其發出請求信息，如果出現相同最小深度的兩個以上的父節點，那么隨機選取一個發送請求。如果相鄰表中沒有合適的父節點的信息，那么表示入網失敗，終止過程。如果發出的請求被批準，那么父節點同時會分配一個16位的網絡地址，此時入網成功，子節點可以開始通信。如果請求失敗，那么重新查找相鄰表，繼續發送請求信息，直到加入網絡。

2.4、應用層

　　應用層提供高級協議管理功能，使用應用層協議來管理協議棧，主要根據具體應用由用戶開發，維持器件的功能屬性，發現該器件工作空間中其他器件的工作，根據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，為保證傳輸數據的可靠性，建立了完整的應答通信協議。

三、Zigbee優勢

(1)低功耗:在低功耗待機狀態下,兩節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的突出優勢,特別適用于無線傳感器網絡。相比較而言,藍牙能工作數周,WIFI僅可工作數小時。

(2)低成本:通過大幅簡化協議(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,全功能的主節點需要32KB代碼,子功能節點僅需4KB代碼,而且ZigBee免協議專利費。

(3)數據傳輸速率低:ZigBee工作在20~250kbps的較低速率,它分別提供250kbps(2·4GHZ)、40kbPs(9l5MHz)和20kbps(868MHz)的原始數據吞吐率,滿足低速率傳輸數據的應用需求。

(4)短時延:ZigBee的響應速度快,一般從休眠轉入工作狀態只需15ms,節點接入網絡只需30ms,節點連接進入網絡只需30ms,進一步節省了電能。相比較,藍牙需要3~10 s、WiFi需要3 s。

　(5)網絡容量大：一個星型結構的Zigbee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡,而且網絡組成靈活。

(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。在增加RF發射功率后,亦可增加到1~3km。如果通過路由和節點間通信的接力,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務預留了專用時隙,避開了發送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。

(8)安全：ZigBee提供了基于循環冗余校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能,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。