ZigBee技術介紹

摘 要：無線網絡技術為物聯網的發展提供堅實的基礎。該文從ZigBee協議的取名原理開始敘述，介紹了ZigBee協議的特性、四層網絡體系結構、網絡拓撲結構、組網設備分類等。為進一步深入學習提供參考依據。

關鍵詞：ZigBee 無線網絡 結構

中圖分類號：TP393.03文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2013）05（c）-0029-01

1 ZigBee的由來

隨著物聯網技術的發展，成百上千個傳感器之間的如何通信變得越來越重要，短距離無線通信技術成為一個重要的解決方案。目前，短距離無線通信方式有藍牙、紅外線、NFC、Wi-Fi、ZigBee而ZigBee無疑是最適合的通信技術。蜜蜂一旦發現花粉，就會用飛翔和抖動翅膀的方式來向同伴說明花粉所在的位置、距離、方向等信息，因此，每一個蜜蜂成為通信點，最終構成一個群體的通信網絡。這就是ZigBee名稱的由來，是未來最具市場前景的無線通信技術。

ZigBee無線網絡就是IEEE 802.15.4協議網絡，它由四層網絡體系結構組成，分別為物理層、數據鏈路層、網絡層、應用層。

1.1 物理層

主要負責無線信號頻段、功率設置，數據的發送與接收。使用頻段共有三個，公共自由頻段2.4 GHz，868 MHz和915 MHz分別分配給歐洲和美國使用。

1.2 數據鏈路層

數據鏈路層可以細分為邏輯鏈路控制層和介質訪問控制層，邏輯鏈路層主要提供數據包的分段、重組、傳輸順序服務，并為數據傳輸的可靠性提供保障。介質訪問控制層主要負責無線傳輸線路的建立、維護和拆除，信道控制、幀校驗等管理。

1.3 網絡層

主要負責網絡節點的加入和離開，路徑設置，網絡拓撲結構的建立，并進行安全密鑰的設置。

1.4 應用層

為用戶提供各種實際運用服務。

2 ZigBee協議的特性

耗電量小。針對無線網絡供電困難問題，減少網絡節點的工作周期、降低數據收發的功率、自動切換休眠狀態（ZigBee在不工作時，自動進入休眠狀態，傳送數據時，自動喚醒），因些在正常情況下，普通電池可以供電12個月左右。

可靠性高。使用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）[1]機制，當客戶端發送數據后，只有等到服務端返回確認信號后，數據才算發送成功。

成本低。由于協議設計簡單，普通8位處理器，4kbyte ROM就可以滿足要求，研發成本也可以降到最低。

網絡節點容量大。最多可支持255個設備進行通信。

安全性高。協議采用了AES128加密算法，提供數據鑒別功能和完整性驗證。網絡節點之間的通信都必須通過加密進行收發。

3 ZigBee的網絡設備

在ZigBee網絡中共有以下幾種節點類型

終端節點ZED（ZigBee End Device）它是網絡的未端節點，內存小，功耗低、可以進行睡眠和喚醒狀態的切換，只進行數據的接收和發送。

協調節點[2]ZC（ZigBee Coordinator）啟動后進行網絡的配置（信標、信道、頻段、網絡地址分配等），管理其它網絡設備的加入，并實現相應的路由功能。

路由節點ZR（ZigBee Router）當其它節點節點加入后，重新計算路由信息，添加相關節點的路由信息，實現網絡節點間的通信。

針對節點的功能不同，可以將網絡設備進一步簡化，可分為FFD（full-function device）、RFD（reduced-function device），RFD只負責接收或發送來FFD的信息，相對功能簡單，可以節省掉部分內存和電路，從而降低硬件成本，只需簡單的8位處理器就可以實現功能。

FFD具有充足的存儲容量來存放路由信息，數據處理控制能力相較強，可以擔任網絡ZC或ZR，構成網絡，從而讓其它設備加入，繼承802.15.4協議的所有功能特性。

4 ZigBee網絡拓撲結構種類

4.1 星型拓撲結構

星型網絡是由一個ZC或ZR和一個或多個ZED節點組成。在星型結構中FFD設備即作為ZC設備，又作為ZR設備。它負責整個網絡的搭建與管理，上電后，開始檢測網絡環境，確定自己的頻段，設定自己的信道，統一定義整個網絡的標識符，最終完成網絡的組建。在完成組網后，ZR通過計算，生成相應的路由表，確定到達各個末端結點的路徑。而其它節點都為RFD設備，分部在ZC周圍，直接由ZC負責與它們進行管理和通信。ZigBee星型拓撲結構受無線距離影響，這種結構運用的比較少。

4.2 樹型拓撲結構

它是以ZC為中心，向一個方向延伸出多個中間節點ZR和多個末節點ZED，所有的葉節點是RFD設備，根節點（ZC）負責整個網絡的構建。由于到葉節點的信息傳輸，只有一條路徑，而一旦線路破壞，信息就無法傳輸，因此，網絡穩定性不佳。在數據傳輸量不大，需要一定的傳輸距離的，可以選擇樹型結構。

4.3 網狀拓撲結構

網狀拓撲結構可以自由組網，因此具體很強的適應環境能力。在網絡中只要是在ZR可以通信的范圍內，都可以添加設備，因此，該結構是無序的復雜網絡結構，網狀拓撲通過不斷添加ZR來增大網絡的覆蓋范圍。由于網狀結構，是自由組網，路由表必須是在不段的更新當中，網絡傳輸質量受鏈路狀態、路由選擇算法[3]影響較大。適用于網絡復雜的場合。

參考文獻

[1]彭燕.基于ZigBee的無線傳感網絡研究[J].現代電子技術，2011（5）.

[2]賴聯有.ZigBee協議分析及其實現[J].齊齊哈光華大學學報，2010（1）.

[3]夏少波.基于ZigBee的無線傳感器網絡研究[J].山東通信技術，2009（4）.