一、ZigBee技術(shù)的概念

ZigBee技術(shù)是指一種無線通信技術(shù)。根據(jù)IEEE 802標(biāo)準(zhǔn)委員會（LMSC）的定義，依ZigBee技術(shù)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)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(shù)組成的無線通信網(wǎng)絡(luò)，其最顯著特點(diǎn)是：短距離、低速率、低功耗、低成本或低復(fù)雜度。由ZigBee技術(shù)的解決方案，將被嵌入到消費(fèi)電子集成電路、家庭和建筑自動化、工業(yè)控制、PC外圍設(shè)備、醫(yī)療傳感器應(yīng)用、玩具和游戲中，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)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(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合此寓意，該無線通信技術(shù)借用了“ZigBee”一詞。

欲具體了解無線個域網(wǎng)（WPAN）介紹的請進(jìn)入。

二、ZigBee技術(shù)的規(guī)范

我們知道，對于通信網(wǎng)絡(luò)，國際標(biāo)準(zhǔn)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(gòu)建的，ZigBee技術(shù)的無線通信網(wǎng)絡(luò)同樣如此。因此，我們通常所說的ZigBee技術(shù)，應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)），和其高層（即網(wǎng)絡(luò)層以上，包括數(shù)據(jù)鏈路、安全、應(yīng)用接口及應(yīng)用等）協(xié)議規(guī)范（ZigBee聯(lián)盟的相關(guān)規(guī)范）的技術(shù)總稱。

欲更多了解OSI/RM介紹的請進(jìn)入。

ZigBee技術(shù)的底層規(guī)范，是由IEEE 802.15工作組中的第4任務(wù)組（TG4）所研究制定，所發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)為IEEE 802.15.4系列。而對于ZigBee技術(shù)的高層協(xié)議規(guī)范，則是由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)制定的，ZigBee聯(lián)盟及其規(guī)范對于LR-WPAN的廣泛應(yīng)用起到了重要的推進(jìn)作用。

1、ZigBee技術(shù)的低層規(guī)范

802.15.4標(biāo)準(zhǔn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)-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(fù)雜度的短距離射頻（RF）傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通信設(shè)備的協(xié)議和兼容互連。其定義的PHY和MAC規(guī)范，以實(shí)現(xiàn)與固定式、便攜式和移動式設(shè)備的低數(shù)據(jù)速率無線連接，這些設(shè)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(yùn)行。且是與諸如802.15.2和802.11等其它無線設(shè)備共存。該標(biāo)準(zhǔn)是為廉價設(shè)備之間的超低復(fù)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(biāo)準(zhǔn)。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(kuò)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(jìn)行了4次修訂。當(dāng)然，在這些各版本之后，針對相應(yīng)的版本IEEE 802.15又發(fā)布了有關(guān)修正案，對該版本的功能、技術(shù)或應(yīng)用進(jìn)行了補(bǔ)充、擴(kuò)展。這些修正案眾多（目前其編號已由4a到4z），有的正式批準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)，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(chǔ)上的演進(jìn)，它補(bǔ)充、擴(kuò)展了802.15.4-2003的相關(guān)功能、技術(shù)方案或應(yīng)用。各版本后項(xiàng)兼容。

依據(jù)ZigBee聯(lián)盟的要求，目前ZigBee技術(shù)的相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)符合IEEE 802.15.4-2011標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，介紹其ZigBee技術(shù)的相關(guān)要求。

欲詳細(xì)了解IEEE 802.15.4系列標(biāo)準(zhǔn)介紹的請進(jìn)入。

2、ZigBee技術(shù)的高層規(guī)范

網(wǎng)絡(luò)的低層協(xié)議規(guī)范僅僅是該技術(shù)的存在基礎(chǔ)，要想在實(shí)際場景中應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的LR-WPAN產(chǎn)品在實(shí)際場景中得到推廣應(yīng)用，國際上一些相關(guān)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(guān)產(chǎn)品的認(rèn)證，對于ZigBee技術(shù)的LR-WPAN的推廣應(yīng)用起到了極大的促進(jìn)作用。

欲詳細(xì)了解ZigBee聯(lián)盟介紹的請進(jìn)入。

關(guān)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(jìn)行了兩次大的修訂。其ZigBee技術(shù)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(shù)的高層規(guī)范應(yīng)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(yīng)用層規(guī)范；網(wǎng)絡(luò)規(guī)范；安全服務(wù)規(guī)范。

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

欲詳細(xì)了解ZigBee-2015規(guī)范內(nèi)容的請進(jìn)入。

三、ZigBee技術(shù)的物理層技術(shù)

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(kuò)頻方式、調(diào)制方式等相關(guān)。其中采用的擴(kuò)頻方式有直接序列擴(kuò)頻方式（DSSS）、并行序列擴(kuò)頻方式（PSSS）和線性調(diào)頻擴(kuò)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(shù)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(jìn)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(shù)的LR-WPAN，其射頻頻率工作于免許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段，即2.4GHz頻段，可以降低ZigBee設(shè)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。

欲詳細(xì)了解ZigBee技術(shù)的物理層技術(shù)要求的請進(jìn)入。

四、ZigBee技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)備組成

依據(jù)IEEE 802.15.4-2011標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，ZigBee技術(shù)的LR-WPAN有兩種設(shè)備：全功能設(shè)備（FFD，Full-Function Device）和精簡功能設(shè)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(shè)備主要用于簡單的控制應(yīng)用，如燈的開關(guān)、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(shè)備可以采用非常廉價的實(shí)現(xiàn)方案。

其ZigBee技術(shù)的LR-WPAN系統(tǒng)應(yīng)由幾個部分組成，其中最基本的是設(shè)備。設(shè)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(shè)備構(gòu)成一個WPAN。這個WPAN應(yīng)該至少包括一個作為該網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)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(qiáng)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(luò)中設(shè)備的數(shù)量以及它們之間關(guān)系的動態(tài)變化。

五、ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

依據(jù)IEEE 802.15.4-2011標(biāo)準(zhǔn)之規(guī)定，ZigBee技術(shù)的LR-WPAN有兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具體詳見下圖5。

圖5：ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1、星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個叫做 PAN 主協(xié)調(diào)器的中央控制器和多個從設(shè)備組成，主協(xié)調(diào)器必須為一個具有完整功能的設(shè)備FFD，從設(shè)備既可為FFD，也可為RFD。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用情況，采用不同功能的設(shè)備，合理地構(gòu)造通信網(wǎng)絡(luò)。在組網(wǎng)中，通常將這些設(shè)備分為起始設(shè)備或者終端設(shè)備，PAN 主協(xié)調(diào)器既可以作為起始設(shè)備、終端設(shè)備，也可以作為路由器，是 PAN 網(wǎng)絡(luò)的主控制器。在任何一個拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)上，所有設(shè)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(dāng)設(shè)備之間已經(jīng)存在連接時，可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)?/span> 16 位短地址碼分配給設(shè)備。PAN 主協(xié)調(diào)器是主要的耗電設(shè)備，而其它從設(shè)備經(jīng)常采用電池供電。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常在家庭自動化、PC 外圍設(shè)備、玩具、游戲以及個人健康檢查方面得到應(yīng)用。 

2、對等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在對等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，同樣也存在一個PAN 主設(shè)備，但該網(wǎng)絡(luò)不同于星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)中的任何一個設(shè)備都可以與其通信范圍內(nèi)的其它設(shè)備進(jìn)行通信。對等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠構(gòu)成相對復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，例如網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。一個對等網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議可以是基于 ad hoc 技術(shù)、也可以是自組織式的和自恢復(fù)式的，并且在網(wǎng)絡(luò)中各個設(shè)備之間發(fā)送消息時，可通過多個中間設(shè)備中繼的傳輸方式進(jìn)行傳輸，即通常稱為多跳的傳輸方式。這種對等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在工業(yè)監(jiān)測和控制、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、供應(yīng)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(yīng)用。

欲進(jìn)一步了解高數(shù)據(jù)傳輸速率無線個域網(wǎng)（HR-WPAN）介紹的請進(jìn)入。