一、ZigBee技術的概念

ZigBee技術是指一種無線通信技術。根據(jù)IEEE 802標準委員會（LMSC）的定義，依ZigBee技術構建的網(wǎng)絡屬于無線個人局域網(wǎng)的范疇，簡稱無線個域網(wǎng)（WPAN，Wireless Personal Area Network），且屬于低數(shù)據(jù)速率的WPAN（LR-WPAN）。由ZigBee技術組成的無線通信網(wǎng)絡，其最顯著特點是：短距離、低速率、低功耗、低成本或低復雜度。由ZigBee技術的解決方案，將被嵌入到消費電子集成電路、家庭和建筑自動化、工業(yè)控制、PC外圍設備、醫(yī)療傳感器應用、玩具和游戲中，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應用場景中大顯身手。

“ZigBee”一詞來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網(wǎng)絡。結合此寓意，該無線通信技術借用了“ZigBee”一詞。

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二、ZigBee技術的規(guī)范

我們知道，對于通信網(wǎng)絡，國際標準化組織（ISO）定義了開放系統(tǒng)互連參考模型OSI/RM（Open System Interconnection/Reference Model），是分層構建的，ZigBee技術的無線通信網(wǎng)絡同樣如此。因此，我們通常所說的ZigBee技術，應是符合包括其低層（包括最下的媒體訪問控制層（MAC）和物理層（PHY））協(xié)議規(guī)范（IEEE 802.15.4系列標準），和其高層（即網(wǎng)絡層以上，包括數(shù)據(jù)鏈路、安全、應用接口及應用等）協(xié)議規(guī)范（ZigBee聯(lián)盟的相關規(guī)范）的技術總稱。

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ZigBee技術的底層規(guī)范，是由IEEE 802.15工作組中的第4任務組（TG4）所研究制定，所發(fā)布的標準為IEEE 802.15.4系列。而對于ZigBee技術的高層協(xié)議規(guī)范，則是由ZigBee聯(lián)盟負責制定的，ZigBee聯(lián)盟及其規(guī)范對于LR-WPAN的廣泛應用起到了重要的推進作用。

1、ZigBee技術的低層規(guī)范

802.15.4標準的第1個版本是發(fā)布于2003年10月1日的IEEE 802.15.4-2003《IEEE信息技術標準-系統(tǒng)之間的電信和信息交換-局域網(wǎng)和城域網(wǎng)-特定要求 第15.4部分：低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)（LR-WPAN）的無線媒體訪問控制（MAC）和物理層（PHY）規(guī)范》。它定義了在無線個人區(qū)域網(wǎng)（WPAN）中，使用低數(shù)據(jù)速率、低功率和低復雜度的短距離射頻（RF）傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通信設備的協(xié)議和兼容互連。其定義的PHY和MAC規(guī)范，以實現(xiàn)與固定式、便攜式和移動式設備的低數(shù)據(jù)速率無線連接，這些設備沒有電池或電池消耗的要求非常低，通常在10米的個人操作空間（POS，Personal Operating Space）中運行。且是與諸如802.15.2和802.11等其它無線設備共存。該標準是為廉價設備之間的超低復雜度、超低成本、超低功耗和低數(shù)據(jù)速率無線連接提供標準。原始數(shù)據(jù)速率將足夠高（最大250kbs），可以滿足一系列簡單的需求，例如交互式玩具，但可以擴展到無線通信的傳感器需求和自動化需求（20kbps或更低）。802.15.4-2003規(guī)定的基本功能特性匯總于下表2-1中。

表2-1：802.15.4規(guī)范的基本功能特性

IEEE 802.15.4-2003發(fā)布后，LMSC目前已在2006年、2011年、2015年和2020年進行了4次修訂。當然，在這些各版本之后，針對相應的版本IEEE 802.15又發(fā)布了有關修正案，對該版本的功能、技術或應用進行了補充、擴展。這些修正案眾多（目前其編號已由4a到4z），有的正式批準為標準，有的發(fā)布的是草案（Draft）。對于這些修正案有的已經(jīng)被后續(xù)修訂版所取代，有的目前仍然有效。IEEE 802.15.4各后續(xù)版本都是在802.15.4-2003版本的基礎上的演進，它補充、擴展了802.15.4-2003的相關功能、技術方案或應用。各版本后項兼容。

依據(jù)ZigBee聯(lián)盟的要求，目前ZigBee技術的相關產(chǎn)品應符合IEEE 802.15.4-2011標準的要求。那么IEEE 802.15.4-2011規(guī)定的基本功能特性也匯總于表2-1中，以作比較。下述以IEEE 802.15.4-2011標準為基礎，介紹其ZigBee技術的相關要求。

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2、ZigBee技術的高層規(guī)范

網(wǎng)絡的低層協(xié)議規(guī)范僅僅是該技術的存在基礎，要想在實際場景中應用，必須有高層協(xié)議規(guī)范的支撐。為此，為了使符合IEEE 802.15.4標準的LR-WPAN產(chǎn)品在實際場景中得到推廣應用，國際上一些相關單位專門成立了ZigBee聯(lián)盟，研究制定其高層協(xié)議規(guī)范，并開展相關產(chǎn)品的認證，對于ZigBee技術的LR-WPAN的推廣應用起到了極大的促進作用。

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關于ZigBee聯(lián)盟的LR-WPAN高層協(xié)議規(guī)范，在2006年2月發(fā)布了第1個版本《ZigBee規(guī)范》，后在2007年和2015年也進行了兩次大的修訂。其ZigBee技術的高層規(guī)范基本情況詳見下表2-2，包括版本號、發(fā)布日期及說明等。目前ZigBee技術的高層規(guī)范應符合《ZigBee-2015規(guī)范》的要求。該版本規(guī)范其主要內(nèi)容共包括四部分：ZigBee規(guī)范概述；應用層規(guī)范；網(wǎng)絡規(guī)范；安全服務規(guī)范。

表2-2：ZigBee聯(lián)盟的高層協(xié)議規(guī)范的基本情況

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三、ZigBee技術的物理層技術

在IEEE 802.15.4-2011中，共定義了7種物理型式，這些型式與采用的射頻工作頻率、擴頻方式、調(diào)制方式等相關。其中采用的擴頻方式有直接序列擴頻方式（DSSS）、并行序列擴頻方式（PSSS）和線性調(diào)頻擴頻方式（CSS）；同時還為 LR-WPAN規(guī)定了采用超寬帶（UWB，ultra-wide band）技術的物理層。

采用的調(diào)制方式主要有正交四相相移鍵控（O-QPSK，Orthogonal-Quadrature phase shift Keying）調(diào)制和二進制相移鍵控（BPSK，Binary phase-shift keying modulation）調(diào)制等多種調(diào)制方式。其O-QPSK和BPSK調(diào)制方式的調(diào)制過程分別如下圖3-1和下圖3-2所示。

圖3-1：O-QPSK調(diào)制方式調(diào)制過程示意框圖

圖3-2：BPSK調(diào)制方式調(diào)制過程示意框圖

ZigBee技術的LR-WPAN，其射頻頻率工作于免許可的工業(yè)、科學和醫(yī)療（ISM）頻段，即2.4GHz頻段，可以降低ZigBee設備的生產(chǎn)成本。另外又引入了915MHz（適于美國使用）和868MHz（適于歐洲使用）的頻段和其它頻段。

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四、ZigBee技術的系統(tǒng)設備組成

依據(jù)IEEE 802.15.4-2011標準的規(guī)定，ZigBee技術的LR-WPAN有兩種設備：全功能設備（FFD，Full-Function Device）和精簡功能設備（RFD，Reduced-Function Device）。FFD既可以與FFD通信，又可以與RFD通信；RFD只能和FFD通信。RFD 設備主要用于簡單的控制應用，如燈的開關、被動式紅外線傳感器等，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，對傳輸資源和通信資源占用不多，這樣 RFD 設備可以采用非常廉價的實現(xiàn)方案。

其ZigBee技術的LR-WPAN系統(tǒng)應由幾個部分組成，其中最基本的是設備。設備可以是FFD或者RFD。在個人操作空間（POS）范圍內(nèi)使用同一個物理信道通信的兩個或者多個設備構成一個WPAN。這個WPAN應該至少包括一個作為該網(wǎng)絡的PAN協(xié)調(diào)器的FFD。

在無線訪問媒介中，由于傳播特性是動態(tài)的、不確定的，所以無法很好地定義覆蓋范圍。點位置或天線方向的微小改變、物體移動等周圍環(huán)境的變化都有可能引起通信鏈路信號強度和質(zhì)量的劇烈變化，因而無線通信的覆蓋范圍不是確定的。這就造成了 LR-WPAN 網(wǎng)絡中設備的數(shù)量以及它們之間關系的動態(tài)變化。

五、ZigBee技術的網(wǎng)絡拓撲結構

依據(jù)IEEE 802.15.4-2011標準之規(guī)定，ZigBee技術的LR-WPAN有兩種網(wǎng)絡拓撲結構：星型拓撲結構和對等拓撲結構，具體詳見下圖5。

圖5：ZigBee技術的網(wǎng)絡拓撲結構

1、星型拓撲結構

星型拓撲結構由一個叫做 PAN 主協(xié)調(diào)器的中央控制器和多個從設備組成，主協(xié)調(diào)器必須為一個具有完整功能的設備FFD，從設備既可為FFD，也可為RFD。在實際應用中，應根據(jù)具體應用情況，采用不同功能的設備，合理地構造通信網(wǎng)絡。在組網(wǎng)中，通常將這些設備分為起始設備或者終端設備，PAN 主協(xié)調(diào)器既可以作為起始設備、終端設備，也可以作為路由器，是 PAN 網(wǎng)絡的主控制器。在任何一個拓撲網(wǎng)絡上，所有設備都有一個唯一的 64 位長地址碼，該地址可以在 PAN 中用于直接通信，或者當設備之間已經(jīng)存在連接時，可以將其轉變?yōu)?/span> 16 位短地址碼分配給設備。PAN 主協(xié)調(diào)器是主要的耗電設備，而其它從設備經(jīng)常采用電池供電。星型拓撲結構通常在家庭自動化、PC 外圍設備、玩具、游戲以及個人健康檢查方面得到應用。 

2、對等拓撲網(wǎng)絡結構

在對等拓撲網(wǎng)絡結構中，同樣也存在一個PAN 主設備，但該網(wǎng)絡不同于星型拓撲網(wǎng)絡結構，該網(wǎng)絡中的任何一個設備都可以與其通信范圍內(nèi)的其它設備進行通信。對等拓撲網(wǎng)絡結構能夠構成相對復雜的網(wǎng)絡結構，例如網(wǎng)狀拓撲網(wǎng)絡結構。一個對等網(wǎng)絡路由協(xié)議可以是基于 ad hoc 技術、也可以是自組織式的和自恢復式的，并且在網(wǎng)絡中各個設備之間發(fā)送消息時，可通過多個中間設備中繼的傳輸方式進行傳輸，即通常稱為多跳的傳輸方式。這種對等拓撲網(wǎng)絡結構在工業(yè)監(jiān)測和控制、無線傳感器網(wǎng)絡、供應物資跟蹤、農(nóng)業(yè)智能化以及安全監(jiān)控等方面都有廣泛的應用。

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