浅谈ZigBee协议架构

郑昕 王成皇 陈德旭

【摘 要】ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，是物联网建设发展的重要技术。本文主要对ZigBee技术的协议架构进行介绍。

【关键词】物联网；ZigBee

ZigBee是由IEE802.15.4小组与ZigBee联盟共同开发的一种基于IEEE802.15.4无线标准、介于无线标记技术和蓝牙之间的技术，主要应用于近距离无线连接。目前已经在消费电子、楼宇自动化、医疗、工业等领域得到了广泛的应用。

一、ZigBee技术特点

ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz（全球通用）、868MHz（欧洲标准）和915MHz（美国标准）三个频段上，相比蓝牙、Wifi等技术，ZigBee在技术上主要存在以下特点：

1、低功耗

ZigBee的传输速率较低，而且采用了休眠模式，发射功率只有1mW左右，所以ZigBee设备的功耗非常低。

2、低成本

通过大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求，并且ZigBee协议免协议专利费，这样就使得每块芯片的成本降低到了1美元左右。

3、时延短

通信时延和唤醒时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，唤醒时延为15ms，非常适用于对时延要求苛刻的工业控制领域。

4、大容量

一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。

5、安全性高

提供了数据完整性检查和鉴权能力，采用AES-128加密算法，大大增强了系统的安全性和可靠性。

二、ZigBee的协议架构

ZigBee协议栈由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。其中网络层以上的协议由ZigBee联盟负责，IEEE制定了物理层和链路层标准。

1、物理层

IEEE802.15.4提供了两种物理层选择（868/915MHz和2.4GHz），两种物理层都采用直接序列扩频（DSSS）技术，降低了数字集成电路的成本，并且都是用相同的帧结构，以便于设备低作业周期、低功耗的运作。

2.4GHz物理层采用基于DSSS方法的准正交调制技术。来自物理层的收敛协议数据单元的二进制数据被依次组成4为二进制数据符号，每种数据符号被映射成32位伪噪声码片以便于传输。而后采用最小移位键控方式对这个连续的伪噪声码片序列进行调制。采用这种调制方式，物理层的数据传输速率可以达到250kbps。

868/915MHz物理层则使用了较为简单的DSSS方法，每个收敛协议数据单元数据传输位被最大长为15的码片序列所扩展，数据传输速率为20kbps、40kbps。尽管数据传输速率有所降低，却换取了较好的灵敏度和较大的覆盖面积，降低了系统成本。

2、数据链路层

IEEE802系列标准将数据链路层分成了LLC和MAC两个子层。IEEE802.15.4的MAC子层协议主要完成以下功能：设备间无线链路的建立、维护和结束；确认模式的帧传送与接收；信道接入控制；帧校验；预留时隙管理和广播信息管理。LLC子层则主要完成传输可靠性保障和控制、数据包的分段与重组以及数据包的顺序传输等功能。

MAC子层定义了广播帧、数据帧、确认帧和MAC命令帧四中帧类型。只有广播帧和数据帧包含了高层控制命令或者数据，确认帧和MAC命令帧则用于ZigBee设备间MAC底层功能实体间控制信息的收发。在传输过程中，数据帧和MAC命令帧的帧头包含帧控制域，指示收到的帧是否需要确认。如果需要确认，并且已经通过了CRC校验，接收方将立即发出确认帧。若发送方在一定时间内没有接收到确认帧，就会自动重传该帧。为了提高数据传输，ZigBee还采用了载波侦听多址/冲突避免（CSMA/CA）的信道接入方式和完全握手协议。

3、网络层

网络层为ZigBee协议栈的核心部分，是ZigBee与其他无线局域网标准的不同之处，主要实现节点接入或离开、网络路由查找及传送数据等功能，负责网络机制的建立和管理，并具有自我组态与自我修复功能。

在网络中，ZigBee定义了三种角色，即：网络协调器，负责网络的建立以及网络位置的分配；路由器，负责找寻、建立以及修复信息包的路由路径，并负责转运信息包；终端装置，只能选择加入他人已经形成的网络，可以收发信息，但不能转发信息。通常，网络协调器和路由器由全功能装置（FFD）实现，终端装置由简化功能装置（RFD）实现。

在组网方式上，ZigBee主要采用如图2.1所示的三种组网方式：（a）为主从结构的星状网，由一个负责管理和维护网络的网络协调器和不超过65535个从属装置组成；（b）为网状网，网络中的每一个FFD同时可作为路由器，根据Ad hoc网络路由协议来优化最短和最可靠的路径；（c）為树状网，他可以是扩展的单个星状网或互连多个星状网络。

4、应用层

ZigBee的应用层包括应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和制造商制定的应用对象。APS负责维护绑定表，根据服务和需求在两个绑定的实体间传递信息；ZDO则负责定义设备节点在网络中的角色，并负责网络设备的发现，决定提供何种应用服务，还负责初始化或绑定相应请求以及建立网络设备间的安全关系。

当一个ZigBee装置加入到无线局域网后，ZDO会发起一系列初始化动作，通过ASP进行装置搜寻及服务器找寻，而后根据事先定义好的描述信息，将与其相关的装置或服务记录在APS的绑定表中。

三、结语

ZigBee协议的诞生源于对工业无线网的需求，为了满足不同的应用背景，自2004年第一个规范通过之后，ZigBee联盟又先后颁布了ZigBee Home Automation、ZigBee Light Link等多个应用层协议来满足不同的物联需求。特别是2016年5月，ZigBee联盟推出了ZigBee3.0标准，解决了不同应用层协议之间的互联互通问题，是的其组网更加便捷统一，大大增加了其应用范围。

【参考文献】

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[2] 耿萌.ZigBee路由协议分析与性能评估[J].计算机工程与应用，2007，26：116-120.

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