大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 Zigbee技术 第二章 ZigBee技术
2.1 Zigbee技术
2.1.1 Zigbee技术由来
现在，有许多的协议标准来定义声音、视频以及PC局域网等领域的数据传输，然而却没有一个协议能适合无线网络中传感和控制设备通信的特定的需求。传感和控制设备的通信并不需要高的带宽，但是他们要求低的反应时间，非常低的能量消耗，以及大范围的设备分布。
许多无线设备生产者已开始致力于解决无线网络的问题，出现了许多的通信协议，但这些协议并不能完全适应无线传感器网络的要求。Zigbee协议正是继承了以往协议的优势，为无线网络中传感和控制设备之间的通信提供了一个极好的解决标准。
2.1.2 Zigbee联盟
Zigbee联盟成立于2001年8月。2002年下半年英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“Zigbee联盟”，研发名为“Zigbee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。
2.1.3三种无线协议的比较
(1)Zigbee与IEEE802.11b及蓝牙技术的比较：
表1 三种通信协议的比较
特征 IEEE802.11b Bluetooth 1星期 非常复杂 7 10秒 10米 不能 1Mbps
Zigbee 1年以上 简单 64000 30毫秒 70米 可以 250Kbps
能量持续 复杂程度 节点数 反应时间 有效范围 扩展能力 数据传输率
数小时 复杂 32 3秒 100米 可能 11Mbps
(2)Zigbee与蓝牙技术的具体比较[3]：
Bluetooth：中等的任务周期，较短的电池寿命(电池持续时间和控制单元相同)，半静态星型网络(接近7个节点)，主要针对需要中等数据传输率的仪器，高服务质量(QOS)，以及低反应时间的无线网络。
Zigbee：非常低的任务周期，很长的电池寿命，静态及动态的星型及网状结构，可以有非常多的节点单元（>>65534个），在没有网络间通信时能够保持长时间静止状态。
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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 Zigbee技术 总而言之，蓝牙主要应用于高QOS，多样的任务周期，中等数据传输率的平等静态，且具有有限活跃节点的无线网络中。而Zigbee则主要是应用在非常低的任务周期，低能耗，低花费的静态及动态的具有很多活跃节点的无线网络中。
2.1.4 Zigbee技术的特点
Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分：
● 数据传输速率低。只有10k字节／秒到250k字节／秒，专注于低传输应用。
● 功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是Zigbee的支持者一直引以为豪的独特优势。
● Zigbee成本低。因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且Zigbee协议免收专利费。
● 网络容量大。每个Zigbee网络最多可支持255个设备，也就是说，每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接。
● 时延短。通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。
● 安全。Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES—128，同时可以灵活确定其安全属性。
● 有效范围小。有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。
● 工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。
随着研究的进一步深入，传感器将变得更小，而且功能会越来越多，最终它们的体积可能会微缩到尘埃大小，届时数以千计的微小传感器或者称为“智能尘埃”将被释放到大气中来检测任何东西。
2.2 Zigbee节能技术探讨
由于Zigbee应用的低带宽要求，Zigbee节点可以在大部分时间内睡眠，以节省电池能量，然后苏醒并迅速发送数据，然后再去睡眠。Zigbee节点可以在15毫秒或更短的时间内由睡眠模式进入活动模式，因此即使睡眠的节点也可以取得合适的低时延。同时Zigbee节省的大部分能量归功于IEEE802.15.4技术，后者本身就是为低功率而设计的。例如，IEEE802.15.4采用DSSS(直接序列扩谱)技术取代FHSS(跳频扩谱)。因为FHSS技术为了尽可能多地节省能量而采用同步跳频，这样会消耗较多的功率。
Zigbee采用一种“准备好才发送”的通信策略，它只在有数据要发送时才发送数据，然后再等待自动确认。“准备好才发送”是一种“面对面”式(in—your—face)的方案，是一种能量效率非常高的方案。而且这种“面对面”式策略导致RF干扰非常低，这主要是由于Zigbee节点具有非常低的占空因数，只偶尔发射信号且只发送小量的数据。不过Zigbee的“准备好才发送”方案并不是万能的。例如，在一个监视敌军动向的微型传感器构成的网络中，这种方案节省的能量仍可能不够用。由于每个网络节点都定期发送数据，而且数据必须经过附近其他网格式分布的节点反
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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 Zigbee技术 复传送，才能到达网络控制器。然而大量的数据包冲突和重复传送会浪费能量，大大缩短传感器节点的电池寿命。如果传感器电池能量非常小，这就会造成很大问题。
但Zigbee仍有很多的节能秘技。Zigbee通过减少相关处理的方式进一步节省能量。一个简单的8位处理器就可以轻松地完成Zigbee的任务，而且Zigbee协议栈占用很少内存。例如，一个功能更强的全功能设备(Full Function Device，FFD)栈需要占用大约32kb内存，然而一个精简功能设备(Reduced Function Device，RFD)栈只需要4kb内存，比它们复杂得多的蓝牙技术则需要占用大约250kb内存。Zigbee相对简单的实现也节省了费用，例如，RFD由于省掉了内存和其他电路，自然降低了Zigbee部件的成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。
2.3 Zigbee协议栈
Zigbee协议栈结构是由一些层所构成。每个层都有一套特定的服务方法和上一层连接：数据实体(Data Entity)提供数据的传输服务，而管理实体(Management Entity)提供所有别的服务类型。每个层的服务实体通过服务接入点(Service Access Point，SAP)和上一层相接。每个SAP提供大量的服务方法完成这些操作。Zigbee协议栈是基于标准的0SI七层模型，但只是在相关的范围内定义一些相应层用来完成特定的任务。IEEE802.15.4-2003标准定义了下面的两个层：物理层(PHY层)和媒介层(MAC层)。Zigbee联盟在此基础上建立起了网络层(NWK层)以及应用层(APL层)的框架（Framework)。APL层又包括应用支持子层(application support sub—layer，APS)、Zigbee的设备对象(Zigbee Device Objects，ZDO)以及制造商定义的应用对象。
Zigbee完整的协议栈结构如图1所示：
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大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 Zigbee技术 应用层（APL层） Zigbee设备对象应用层框架 ZDO公用 接L1 应用对象240 应用对象1 （ZDO） 终端240应用支持子层数据服务接入 终端1应用支持子层数据服务接入 终端0应用支持子层数据服务接入 应用支持 应用支持子层（APS层） 安全服务提供者 APS安全管理 APS信息管理 数据反应管理 子层管理 服务接入 Z D O 管 理 网络层数据服务接入 MAC子层管网络层（NWK层） NWK安全管理 NWK信息管理 平 台 理服务接入 路由管理 网络层管理 MAC子层数据服务接入 MAC子层管理服务接入 媒介层（MAC层） PHY数据服务接入 PHY数据服务接入 物理层（PHY层） 2.4Ghz 868/915Mhz
图1 Zigbee协议栈的完整示意图
2.3.1 IEEE802.15.4的PHY层
IEEE802.15.4-2003有两个PHY层，提供两个独立的频率段：868／915MHz和2.4GHz。868／915MHz频段包括欧洲使用的868MHz的频段以及美国和澳大利亚使用的915MHz频段，2.4GHz频段则在全世界范围内使用。
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2.3.2 IEEE802.15.4的MAC层
Zigbee协议栈的基础是IEEE802.15.4。IEEE802.15.4典型的数据通信类型有三种：周期性的数据（如传感器数据）、间歇性的数据（如灯开关）、重复的低反应数据（如鼠标数据）。IEEE802.15.4的MAC层足够灵活来处理这些通信数据。MAC层有两种信道访问机制：无标识(non beacon)网络和标识使能(beacon—enabled)网络。无标识网络采用标准的ALOHA·CSMA—CA方式，节点成功接收到信息包后能产生一个积极的回应。标识使能网络采用超帧结构，一方面有专用的带宽和低的反应时间，另一方面可在网络协调器设定的预定时间间隔内传输标识(beacons)。
MAC层使用标识使能功能处理周期性数据，当有标识时，传感节点就会被唤醒来检测信息，然后再返回睡眠状态。而间歇性数据可以在无标识网络中被处理或是以不连贯的方式被处理。当以不连贯方式处理时，通信则需要节省大量能量才可加入网络。低反应时间可用于保证时间分割(Guaranteed Time Slot，GTS)操作顺利进行。GTS是高服务质量(QOS)的一种方法。它允许每个设备有一个特定的间隔时间，这样每个反应帧就可自由传输而不需要反应时间。
2.3.3网络层(NWK层)
Zigbee的网络层被要求提供功能以确保IEEE802.15.4—2003的MAC子层的正确操作，并为应用层提供一个合适的服务接口。为了给应用层提供合适的接口，网络层有两个服务实体来提供必需的功能。这两个服务实体就是数据实体和管理实体。网络层数据实体(NLDE)通过相关的服务接入点(SAP)提供数据传输服务，即NLDE—SAP。网络层管理实体(NLME)通过相关的服务接入点(SAP)提供管理服务，即NLME—SAP。NLME利用HLDE完成一些管理任务和维护管理对象的数据库，通常称作网络信息库（Network Information Base，NIB)。
2.3.4应用层(APL层)
Zigbee的应用层是由应用子层（APS sub—layer）、设备对象(ZDO)(包括ZDO管理平台)以及制造商定义的应用设备对象组成。APS子层的作用是维护绑定表（绑定表作用是基于两个设备的服务和需要把它们绑定在一起，在绑定的设备之问来传输信息）。ZDO的作用是：在网络中定义一个设备的作用(如定义设备为协调器或路由器或终端设备)，发现网络中的设备并确定它们能提供何种应用服务；起始或回应绑定需求以及在网络设备中建立一个安全的连接。
2.3.5 Zigbee安全管理
Zigbee安全体系提供的安全管理主要是相称密匙保护、应用保护机制、合适的密码机制以及相关的保密措施。安全协议的执行（如密匙建立）要以Zigbee整个协议栈正确运行且不遗漏任何一步为前提。MAC层、NWK层和APS层都有可靠的安全传输机制用于它们自己的数据帧。APS层提供建立和维护安全联系的服务。而ZDO管理设备的安全政策和安全配置。
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