ZigBee无线技术介绍

概述

ZigBee是一个基于IEEE 802.15.4标准的低功耗物联网标准，它由Zigbee 联盟来维护，可以使用在家庭自动化、医疗设备数据收集和其他低功耗低带宽的应用场景。和蓝牙和Wifi相比，它的特点是低功耗，近距离且是自组织的网络。它的最高速率是250 kbit / s，具有128位的对称加密算法的保护，具有较高的安全性。ZigBee本身支持星型网络和树形网络和网状网络。

历史

第一个ZigBee标准IEEE 802.15.4-2003在2004年12月被批准，在2005年6月zigbee规范v1.0宣布可用，我们称为zigbee 2004. 2006年zigbee 2006规范可用，替代了2004使用的协议栈，在2007年推出了Zigbee PRO。2009年推出Zigbee RF4CE简化了协议，适应一对一和一对多网络，主要为家电的控制。2017年推出了Zigbee PRO 2017。

使用场景

zigbee被设计为低功耗，低速率的应用场景，主要使用在家庭自动化，无线传感器网络，工业控制系统，嵌入式传感器、医疗数据收集、烟雾及闯入者警告、楼宇自动化、远程无线麦克风配置等场合。它不适合在高速率和高速移动的场合。

传输特性

zigbee使用免费的频率，包括2.4 -2.4835G，902 -928 MHz(美洲和澳大利亚)，868 -868.6 MHz(欧洲), 它在在2.4G下速率最高，有16个频道，5M带宽但只使用了2M，速度达到250kbit/s, 在915M和868M下面能达到40kbit/s 和20kbit/s，这都是理论最大速率，由于包开销和处理延迟，实际数据吞吐量将小于指定的最大比特率。在射频功率为20dbm（100mw）情况下，2.4G频率的传输距离室内大约是10-20米左右，室外最大可达到300米。

设备类型和操作模式

zigbee有三种设备类型

ZC: Zigbee协调器，功能最强的设备，协调器构成网络树的根，可以连接到其他网络。每个网络中只有一个Zigbee协调器，因为它是最初启动网络的设备。它存储有关网络的信息，包括充当安全密钥的信任中心和存储库

ZR：Zigbee路由器，除了运行应用程序功能外，路由器还可以充当中间路由器，传递来自其他设备的数据。

ZED：Zigbee终端设备，只包含与父节点(协调器或路由器)通信的足够功能;它不能从其他设备中继数据。这种关系允许节点在相当长的时间内处于休眠状态，从而延长电池寿命。ZED需要最少的内存，因此，它的制造成本比ZR或ZC要低。

当前的zigbee网络里有两种模式，带信标（beacon）的和不带信标的（non-beacon），在信标不启用的网络中，使用不带时隙的CSMA / CA信道访问机制。在这种类型的网络中，Zigbee的路由器和接收端不能休眠，导致耗电量大。

在启用信标的网络中，Zigbee路由器节点发送周期性信标，zigbee的接收节点将定时的唤醒。节点在两个信标之间时间内睡眠，从而降低其占空比并延长其电池寿命。信标间隔取决于数据速率，它们在250 kbit / s时可以从15.36毫秒到251.65824秒， 在40 kbit / s时从24毫秒到393.216秒，在20 kbit / s时从48毫秒到786.432秒。

ZigBee的协议层

上图是的ZigBee协议层示意图，IEEE 802.15.4定义了物理层和mac层。

2003版本规定了基于直接序列扩频（DSSS）技术的两个物理层：一个工作在868/915 MHz频段，传输速率为20和40 kbit / s，一个工作在2450 MHz频段速率为250 kbit / s。

介质访问控制（MAC）使MAC的发送通过使用物理信道的帧。除了数据服务，它还提供管理界面，并自身管理对物理信道和网络信标的访问。它还控制帧验证，保证时隙并处理节点关联。最后，它提供了安全服务的回调函数。

网络模型

上图是一个zigbee的三种拓扑网络，红色为ZigBee协调器，蓝色为ZigBee路由器，黄色为ZigBee末端节点。

ZigBee的一个重要特点就是可以自组织网络和跳转传输数据。在mesh网络下面，任何一个节点故障都不会影响通信，节点会自动的寻找合适的路径进行通信。如下图所示。