ZigBee协议介绍

简介

ZigBee是一种无线通信标准，是由ZigBee Alliance于 2001 年基于IEEE802.15.4标准定制的，这一标准界定了低功耗、低传输速率、近距离无线通信技术所需的所有相关通信协议。基于ZigBee协议的无线通信网络的工作频段主要有2.4GHz、915MHz、868MHz三个频段可供选择，通信过程中的数据传输速率最大可以到 250kbps。
基于ZigBee的无线通信技术被广泛应用在无线传感网、智能家居、物联网、智能楼宇、工业控制、农业、医疗等众多领域。

ZigBee协议架构

ZigBee的协议架构是基于OSI参考模型的基础实现的，该协议根据无线网络通信的特点，利用分层的思想设计。协议参考OSI模型共分为5层，从上到下分别是

1. 应用层（Application Layer）
2. 安全层（Security Layer）
3. 网络层（Network Layer）
4. 媒体访问控制层（Media Access Control Layer）
5. 物理层（PHY Layer）

从上图中可以看出，IEEE802.15.4标准仅仅定义了物理层和媒体访问控制层的通信规范，ZigBee Alliance定义了网络层、安全层、应用层的通信规范。接下来分别对协议架构中各层的作用进行简单介绍。

1. 物理层（PHY）：该层定义了3种不同的工作频段分别为2.4GHz、915MHz、868MHz，并且定义了MAC层和无线信道之间的接口。主要功能包括，物理链路的管理、工作频段的选择、信道的选择、信道质量检测、无线信道的数据传输等。
2. 媒体访问控制层（MAC）：主要负责处理物理层面上相连节点之间的数据通信，即无线信道的接入。主要功能包括，为两个对等的 MAC 实体提供稳定可靠的通信链路、无线网络中的协调器产生网络信标并且实现同步、对个域网（PAN）链路的管理、为网络中的设备提供安全支持、实现无线信道接入的CSMA-CA机制。
3. 网络层（NWK）：主要负责网络拓扑结构的建立和管理。主要功能包括，网络拓扑结构的选择、网络地址分配、路由寻址、为信息的传输提供安全支持、网络中设备的断开连接管理。
4. 安全层（SL）：主要负责MAC层数据帧的完整性以及安全性。主要功能包括，提供128位AES加密算法、提供IEEE802.15.4标准的安全机制。
5. 应用层（APL）：该层主要由ZigBee设备对象、应用支持子层以及制造商定义的应用对象组成。其中，ZigBee设备对象的主要功能包括，定义网络中设备的角色、为网络中的设备提供安全机制、发现网络中设备并提供应用服务、发起或响应绑定请求。应用支持子层的主要功能包括，维持绑定表并在绑定的设备间传输数据信息。

ZigBee网络拓扑结构

ZigBee 的网络拓扑结构主要有三种，树状拓扑结构、网状拓扑结构、星型拓扑结构。在ZigBee的网路拓扑结构中定义了三种类型的网络设备，协调器（Coordinator）、路由器（Router）、终端节点（End Device），其中每个ZigBee网络拓扑结构中只允许有一个协调器，同时允许有多个终端节点和路由器。协调器主要功能包括，无线网络的创建、无线网络的管理、路由寻址、数据转发等；路由器主要功能包括，路由寻址、数据的转发；终端节点仅仅只能发送和接收消息，不能实现数据的转发。

星型拓扑结构

星型网络有一个中心节点，所有消息都经它传输，任意两个节点之间不能够直接进行通信。星型网络具有简洁和低功耗等特点，使用简单，适用于家庭的小规模、低复杂度的应用，所以在应用在智能家居领域往往能获得较高性价比。

树状拓扑结构

树状网络有严格的层次划分，其中协调器负责整个无线网络的划分，并负责整个无线网络的管理，路由器负责数据转发以及路由寻址，终端节点仅仅负责数据的接受和发送，不能实现数据的转发。

网状拓扑结构

网状拓扑结构（Mesh）具有更加灵活的信息路由规则，在可能的情况下，路由节点之间可以直接的通讯，这种路由机制使得信息的通讯变得更有效率，可以应用多种场景。

ZigBee特点

1. 低成本：ZigBee协议栈是半开源且免费的，同时由于ZigBee协议栈的简单性降低了对硬件的要求。
2. 低功耗：ZigBee协议是在IEEE802.15.4基于低功耗通信协议的基础上实现的，2500mAh左右的电池一般能够支持一个节点正常通信工作1年左右的时间。
3. 低速率：ZigBee协议是在IEEE802.15.4 基于低速率通信协议的基础上实现的，最高速率也只能达到250kbps。
4. 通信距离短：ZigBee协议实现的无线通信技术一般通信距离在75米范围内，复杂的环境下，最远只有几十米
5. 组网节点量多：由该协议实现的无线通信网络，理论上最高可以拥有多达65535个节点，但由于受到带宽的限制，实际拥有节点量达不到理论值。
6. 多工作频段：支持2.4GHz、915MHz、868MHz三个频段可供选择，而且2.4GHz频段为公共频段。