摘要：ZigBee技術是一種新興的短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術。ZigBee協(xié)議采用IEEE802．15．4標準的物理層和鏈路層，并在其上增加了網(wǎng)絡層，安全模塊和應用支持子層模塊，從而實現(xiàn)了大區(qū)域網(wǎng)絡覆蓋。ZigBee由于其在低功耗、低復雜度、自組織等方面的優(yōu)勢，逐漸成為無線傳感器網(wǎng)絡的首選通信協(xié)議。
關鍵詞：ZigBee技術；ZigBee協(xié)議；路由算法；ZigBee應用

0 引言
ZigBee的基礎是IEEES02．15．4，這是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項標準，被稱作IEEES02．15．4(ZigBee)技術標準。ZigBee協(xié)議由五家公司共同提出：Honeywell、Invensys、三菱電氣、摩托羅拉和飛利浦。IEEF802．15．4工作組為ZigBee定義了三個免受權頻段：2．4 GHz(全球應用)，915MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。
ZigBee采用DSSS技術，與藍牙等無線通訊技術相比，它具有如下特點：
(1)功耗更低：ZigBee Alliance網(wǎng)站公布，以一般電池電力而言，ZigBee產(chǎn)品可使用數(shù)月至數(shù)年之久。它非常適用于那些需要一年甚至更長時間才需更換電池的設備(如典型的監(jiān)控設備)。
(2)接入設備多：ZigBee的解決方案支持每個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器帶有255個激活節(jié)點，多個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器可以聯(lián)接大型網(wǎng)絡。2．4 GHz頻段可容納16個通道，每個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器帶有255個激活節(jié)點(藍牙只有8個)，ZigBee技術允許在一個網(wǎng)絡中包含4千多個節(jié)點。
(3)成本更低：ZigBee只需要80C51之類的低檔處理器以及少量的軟件即可實現(xiàn)，無需主機平臺。從天線到應用實現(xiàn)只需1塊芯片即可。藍牙需依靠較強大的主處理器(如ARM7)，芯片構架也比較復雜。
(4)傳輸速率更低：ZigBee的低功率導致了低傳輸速率，其原始數(shù)據(jù)吞吐速率在2．4 GHz(10channels)頻段為250kbps，在915 MHz(6cha-nnels)頻段為40 kbps，在868MHz(1channel)頻段為20kbps。傳輸距離為10～20m。

1 ZigBee協(xié)議棧
ZigBee標準采用分層結構，根據(jù)開放式通信系統(tǒng)互聯(lián)模型，從上往下具有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、應用支持子層和應用層。從網(wǎng)絡層以上的協(xié)議有ZigBee聯(lián)盟制定，IEEES02．15．4標準定義物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。
1．1 物理層(PHY)
物理層是協(xié)議層的最底層，主要工作是要啟動與關閉無線傳輸接收器、傳輸與接收數(shù)據(jù)、使用頻道的選擇、在目前頻道上做訊號能量偵測、數(shù)據(jù)調(diào)變傳輸與接收解調(diào)、空閑頻道評估(CCA)和針對接收的封包執(zhí)行鏈路品質指示(LQI)。
IEEE802．15．4定義了兩個物理層標準，分別是2．4 GHz和868／915 MHz物理層。2．4 GHz的物理層通過采用16相調(diào)制技術，能夠提供250 kbps的傳輸速率。868 MHz的傳輸速率為20 kbps，916 MHz上的傳輸速率則是40 kbps。
物理層提供兩個服務：數(shù)據(jù)服務和管理服務。數(shù)據(jù)服務：在物理無線信道上接受和發(fā)送物理協(xié)議數(shù)據(jù)單元。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。
物理層負責下面的任務：
(1)無線收發(fā)信機的激活和去激活。
(2)在當前信道上的能量檢測。
(3)鏈路質量指示，用在接受的數(shù)據(jù)包上。
(4)清除信道估計算法用在CSMA／CA技術中。
(5)信道頻率選擇。
(6)信道數(shù)據(jù)的接受。
1．2 數(shù)據(jù)鏈路層(MAC)
物理層之上的數(shù)據(jù)鏈路層基于物理層所提供的服務，負責設備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立，維護和結束，確認模式的幀傳送與接受，信道接入控制，幀校驗，預留時隙管理和廣播信息管理。IEEE802．15．4的MAC層可足夠靈活地來處理這些數(shù)據(jù)通信。MAC層有兩種信道訪問機制：無標識網(wǎng)絡和標識使能網(wǎng)絡。無標識網(wǎng)絡節(jié)點成功接受到信息包后能產(chǎn)生一個積極的回應。標識使能網(wǎng)絡采用超幀結構，這一方面為了有專用的帶寬和低的反應時間，另一方面可通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器設定在預定時間間隔內(nèi)傳輸標識。
MAC層使用標識使能來處理周期性數(shù)據(jù)，當有標識使能時，傳感節(jié)點會被喚醒來檢測信息，然后再返回睡眠狀態(tài)。間歇性數(shù)據(jù)可以在無標識網(wǎng)絡中被處理或是以不連貫的方式被處理。當以不連貫方式處理時，通信需要在能節(jié)約大量能量的情況下，設備才加入網(wǎng)絡。低反應時間操作可用于保證時間分割(GTS)操作中。GTS是高服務質量的一種方法，它允許每個設備有一個特定的時間間隔，這樣每個超幀就可以自由傳輸而不需要反應和爭搶。
1．3 網(wǎng)絡層
物理層上面的網(wǎng)絡層由ZigBee標準規(guī)定，它確保正確的操作IEEES02．15．4MAC子層和應用層提供服務接口。網(wǎng)絡層為應用層提供兩種服務實體：數(shù)據(jù)實體和管理實體。網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體通過提供數(shù)據(jù)傳輸服務，網(wǎng)絡層管理實體通過提供管理服務，同時，利用來完成一些管理任務，負責維護網(wǎng)絡數(shù)據(jù)。
ZigBee提供了：星形網(wǎng)絡、樹狀網(wǎng)絡和網(wǎng)狀網(wǎng)絡三種拓撲結構。
(1)星型網(wǎng)絡配置包含了一個ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點和一個或更多的終端設備。在星型網(wǎng)絡中，所有的終端設備都只與協(xié)調(diào)器通信。如果某個終端設備需要傳輸數(shù)據(jù)到另一個終端設備，它會把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器依次將數(shù)據(jù)轉發(fā)到目標接收器終端設備。
(2)樹狀網(wǎng)絡，在這種配置下，終端設備可以選擇加入ZigBee協(xié)調(diào)器或者ZigBee路由器。路由器提供兩種功能的服務。一是為整個網(wǎng)絡增加可能的節(jié)點數(shù)。二是擴展網(wǎng)絡覆蓋的物理范圍。有了路由器以后，終端設備不需要在協(xié)調(diào)器的射頻范圍內(nèi)，也可以加入網(wǎng)絡。在樹狀網(wǎng)絡中，所有的信息都由樹節(jié)點來組織路由。
(3)網(wǎng)狀網(wǎng)類似于樹狀網(wǎng)絡配置，只是FFD可以直接把消息發(fā)送給其他的FFD而不用沿著樹來傳輸。來自RFD的消息依然要通過它的父節(jié)點來轉發(fā)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲的優(yōu)勢在于減少了消息傳輸?shù)臅r延并且增加了可靠性。