一、ZigBee技術的概念
ZigBee技術是指一種無線通信技術。根據IEEE 802標準委員會（LMSC）的定義，依ZigBee技術構建的網絡屬于無線個人局域網的范疇，簡稱無線個域網（WPAN，Wireless Personal Area Network），且屬于低數據速率的WPAN（LR-WPAN）。由ZigBee技術組成的無線通信網絡，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、工業控制、PC外圍設備、醫療傳感器應用、玩具和游戲中，尤其是在物聯網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技術的規范
我們知道，對于通信網絡，國際標準化組織（ISO）定義了開放系統互連參考模型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））協議規范（IEEE 802.15.4系列標準），和其高層（即網絡層以上，包括數據鏈路、安全、應用接口及應用等）協議規范（ZigBee聯盟的相關規范）的技術總稱。
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ZigBee技術的底層規范，是由IEEE 802.15工作組中的第4任務組（TG4）所研究制定，所發布的標準為IEEE 802.15.4系列。而對于ZigBee技術的高層協議規范，則是由ZigBee聯盟負責制定的，ZigBee聯盟及其規范對于LR-WPAN的廣泛應用起到了重要的推進作用。
1、ZigBee技術的低層規范
802.15.4標準的第1個版本是發布于2003年10月1日的IEEE 802.15.4-2003《IEEE信息技術標準-系統之間的電信和信息交換-局域網和城域網-特定要求 第15.4部分：低速率無線個人區域網（LR-WPAN）的無線媒體訪問控制（MAC）和物理層（PHY）規范》。它定義了在無線個人區域網（WPAN）中，使用低數據速率、低功率和低復雜度的短距離射頻（RF）傳輸的數據通信設備的協議和兼容互連。其定義的PHY和MAC規范，以實現與固定式、便攜式和移動式設備的低數據速率無線連接，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、超低功耗和低數據速率無線連接提供標準。原始數據速率將足夠高（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規定的基本功能特性匯總于下表2-1中。
表2-1：802.15.4規范的基本功能特性
IEEE 802.15.4-2003發布后，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，有的發布的是草案（Draft）。對于這些修正案有的已經被后續修訂版所取代，有的目前仍然有效。IEEE 802.15.4各后續版本都是在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ZigBee聯盟的要求，目前ZigBee技術的相關產品應符合IEEE 802.15.4-2011標準的要求。那么IEEE 802.15.4-2011規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技術的高層規范
網絡的低層協議規范僅僅是該技術的存在基礎，要想在實際場景中應用，必須有高層協議規范的支撐。為此，為了使符合IEEE 802.15.4標準的LR-WPAN產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聯盟，研究制定其高層協議規范，并開展相關產品的認證，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聯盟的LR-WPAN高層協議規范，在2006年2月發布了第1個版本《ZigBee規范》，后在2007年和2015年也進行了兩次大的修訂。其ZigBee技術的高層規范基本情況詳見下表2-2，包括版本號、發布日期及說明等。目前ZigBee技術的高層規范應符合《ZigBee-2015規范》的要求。該版本規范其主要內容共包括四部分：ZigBee規范概述；應用層規范；網絡規范；安全服務規范。
表2-2：ZigBee聯盟的高層協議規范的基本情況
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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）和線性調頻擴頻方式（CSS）；同時還為 LR-WPAN規定了采用超寬帶（UWB，ultra-wide band）技術的物理層。
采用的調制方式主要有正交四相相移鍵控（O-QPSK，Orthogonal-Quadrature phase shift Keying）調制和二進制相移鍵控（BPSK，Binary phase-shift keying modulation）調制等多種調制方式。其O-QPSK和BPSK調制方式的調制過程分別如下圖3-1和下圖3-2所示。
圖3-1：O-QPSK調制方式調制過程示意框圖
圖3-2：BPSK調制方式調制過程示意框圖
ZigBee技術的LR-WPAN，其射頻頻率工作于免許可的工業、科學和醫療（ISM）頻段，即2.4GHz頻段，可以降低ZigBee設備的生產成本。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技術的系統設備組成
依據IEEE 802.15.4-2011標準的規定，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，傳輸的數據量較少，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方案。
其ZigBee技術的LR-WPAN系統應由幾個部分組成，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絡的PAN協調器的FFD。
在無線訪問媒介中，由于傳播特性是動態的、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、物體移動等周圍環境的變化都有可能引起通信鏈路信號強度和質量的劇烈變化，因而無線通信的覆蓋范圍不是確定的。這就造成了 LR-WPAN 網絡中設備的數量以及它們之間關系的動態變化。
五、ZigBee技術的網絡拓撲結構
依據IEEE 802.15.4-2011標準之規定，ZigBee技術的LR-WPAN有兩種網絡拓撲結構：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 主協調器的中央控制器和多個從設備組成，主協調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，應根據具體應用情況，采用不同功能的設備，合理地構造通信網絡。在組網中，通常將這些設備分為起始設備或者終端設備，PAN 主協調器既可以作為起始設備、終端設備，也可以作為路由器，是 PAN 網絡的主控制器。在任何一個拓撲網絡上，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存在連接時，可以將其轉變為 16 位短地址碼分配給設備。PAN 主協調器是主要的耗電設備，而其它從設備經常采用電池供電。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、對等拓撲網絡結構
在對等拓撲網絡結構中，同樣也存在一個PAN 主設備，但該網絡不同于星型拓撲網絡結構，該網絡中的任何一個設備都可以與其通信范圍內的其它設備進行通信。對等拓撲網絡結構能夠構成相對復雜的網絡結構，例如網狀拓撲網絡結構。一個對等網絡路由協議可以是基于 ad hoc 技術、也可以是自組織式的和自恢復式的，并且在網絡中各個設備之間發送消息時，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。這種對等拓撲網絡結構在工業監測和控制、無線傳感器網絡、供應物資跟蹤、農業智能化以及安全監控等方面都有廣泛的應用。
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