ZigBee技术发展和特点Word下载.docx
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ZigBee物理和媒体控制层技术标准的建立做出了它们的贡献。
2004年ZigBee1.0（又称ZigBee2004）诞生，它是ZigBee的第一个规，这使得ZigBee有了自己的发展基本标准。
但是由于推出仓促存在很多不完善的地方，因此在2006年进行了标准的修订，推出了ZigBee1.1（又称ZigBee2006），但是该协议与ZigBee1.0是不兼容的。
ZigBee1.1相较于ZigBee1.0做了很多修改，但是ZigBee1.1仍无法达到最初的设想，于是在2007年再次修订（称为ZigBee2007/PR0），能够兼容之前的ZigBee2006,并且加入了ZigBeePRO部分，此时ZigBee联盟更专注于以下三种应用类型的拓展：
家庭自动化（HA）、建筑/商业大楼自动化（BA，以及先进抄表基础建设（AMI）。
随着ZigBee标准的完善以及各软件以及硬件厂商的不断努力，用于ZigBee
开发的软硬件正趋于完善，ZigBee技术的实用化不断推进，其使用领域不断拓展。
使ZigBee技术在2004年就被列为当今世界发展最快、市场前景最广阔的十大高新技术之一。
ZigBee技术有以下几个方面的特点：
（1）短时延。
通信时延以及休眠状态激活时延都很短，通常在15ms至30ms间。
（2）高可靠性。
采用了CSMA/CA（碰撞避免）机制，而且为需要固定带宽的
通信业务预留了专用的时隙，从而避免了发送数据时可能出现的竞争和冲突；
节
点模块间有自动动态组网功能，信息在整个ZigBee网络中是通过自动路由方式
传输的，这样可以保证信息的可靠传输。
（3）低数据率。
数据传输率在10kb/s到250kb/s之间。
（4）低功耗。
两节五号电池即可使用6个月至2年，免去了经常更换电池或者是充电的麻烦。
（5）低成本。
ZigBee的低数据传输率，简单的协议，都大大降低了成本，而且ZigBee协议是免专利费的。
（6）有效围大。
可以覆盖的有效围在10-75m之间，具体与实际工作环境和工作模式有关，基本可以满足普通家庭以及办公室环境的使用要求。
（7）工作频段比较灵活。
三个工作频段分别为：
2.4GHz（全球，具有16个速率为250kb/s的信道）、915MHz（美国，具有10个40kb/s的信道）以及868MHz
（欧洲，具有1个20kb/s的信道），而这些频段均为免执照频段。
（8）网络拓扑能力优良。
ZigBee有网路自愈能力，ZigBee有星状、树状和网状三种网络结构。
所以通过ZigBee无线网络拓扑可以覆盖很大的区域。
（9）高安全性。
ZigBee为我们提供了数据完整性检查功能以及鉴权功能，加密算法采用AES-128，具有很好的性。
（10）大网络容量。
网络可支持多达65000个节点。
2.2ZigBee网络拓扑[1][12][13][14]
首先介绍下ZigBee的设备类型：
协调器（coordinator）、路由器（router）以及终端设备（EndDevice）o
终端设备（EndDevice）:
结构和功能是最简单的，采用电池供电，大部分时间都处于睡眠状态以节约电量，延长电池的使用寿命。
路由器（router）：
需具备数据存储和转发能力以及路由发现的能力。
除完成应用任务外，路由器还必须支持其子设备连接、数据转发、路由表维护等功能。
协调器（coordinator）：
协调器是一个ZigBee网络的第一个开始的设备或者是一个ZigBee网络的启动或者建立网络的设备。
协调器节点需选择一个信道和唯一的网络标识符（PANID），然后开始组建一个网络。
协调器设备在网络中还有其他作用，比如建立安全机制，网络中的绑定等。
ZigBee支持包含主从设备的星状、树簇状和网状网络拓扑，每个网络中都会存在一个唯一的协调器，它相当于有线局域网中的服务器，对本网络进行管理。
ZigBee以独立的节点为依托，通过无线通信组成星状、树状或网状网络，因此不同的节点功能可能不同。
为了降低成本就出现了全功能设备（FFD）和半功能
设备（RFD）之分，FFD支持所有的网络拓扑在网络中可以充当任何设备（协调器、路由器及终端节点）而且可以与所有设备进行通信，而RFD则在网络中只
能作为子节点不能有自己的子节点（即只能作为终端节点）而且其只能与自己的父节点通信，RFD功能是FFD功能的子集。
ZigBee设备有两种地址，一个是唯一的64位的IEEE地址（绝对地址），可以使用这个64位地址在PAN中进行通信，一个是16位的短地址（相对地址），它是在设备与网络协调器建立连接后协调器为设备分配的16位的短地址，此短地址可用来在PAN进行通信。
2.2.1星状拓扑结构
在一个星状拓扑结构网络中存在一个网络协调器以及若干个从设备。
协调器
的作用是建立和维护网络，他必须是FFD，而且一般都会有稳定的电源供电，因
此不用考虑能耗的问题。
从设备可以是FFD也可以是RFD，大部分情况下从设备都是用电池供电的RFD，它只能与协调器直接通信，如果要与其他设备进行通信则需要协调器进行转发。
星状网络的建立：
当一个FFD设备上电或复位开始工作时，它会检测周围的通信环境，选择合适的信道并确定该网络唯一的PAN标识符，建立一个网络。
PAN标识符用来区分本网络与其他网络，网络的从设备也是通过PAN标识符确
定自己与协调器的从属关系的。
网络建立后，协调器就允许其他设备与其建立连接、加入网络。
这样，ZigBee星状网络就建立起来了。
星状网络拓扑结构简单、容易实现而且管理方便，但不适合大规模的复杂网络，而且如果网络中某个节点断开就会影响其他节点的通信，这限制了无线网络的部署围。
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图2-3.网状网络拓扑
2.2.2树簇状拓扑结构
树簇状网络拓扑其实是对星状网络的扩充，树簇状拓扑结构适合于分布围较大的网络中，如图2-2所示。
图中，在网络最末端的节点成为“叶”节点，即终端设备。
若干个“叶”节点与一个FFD设备节点相连接从而形成一个“簇”，而若干个“簇”连接就形成了“树”，所以称这种拓扑结构为树簇状拓扑结构。
树簇状拓扑结构中的大部分设备是FFD,RFD只能作为“叶”节点（“叶”节点也可以是FFD）。
在树簇状网络中存在一个主协调器，主协调器拥有更多的资源、稳定而且可靠的供电等。
树簇状网络的建立：
主协调器启动并建立PAN后，先选择一个PAN标识符，并把自己的短地址设置成0,然后广播自己的信息，接受其他设备加入网络，建立第一级树，协调器与这些加入网络中的设备是父子关系。
主协调器会给每个与其
建立连接的设备分配一个16位的短地址。
如果设备是作为终端设备接入网络的，协调器会分配给它一个唯一的16位短地址；
而如果设备是作为路由器加入网络的，协调器则会分配给它一个包括若干短地址的地址块。
路由器会把自己的信息
广播出去，并允许其他设备与其建立连接，成为它的子设备。
同样的，这些子设
备中也可也存在路由器，这些路由器也可以拥有自己的子设备，这样下去就可以形成复杂的树簇状结构网络。
从树状网络的形成过程中我们可以看出，树状网络中任何一个节点的故障都会影响到与其相连的子节点。
2.2.3网状拓扑结构
网状拓扑结构中也存在着一个协调器，通常是第一个启动并进行通信的节点。
但网状网络中的所有节点都是FFD,所以网络中的任何设备都可以与其通信围的其他设备进行通信。
在网状拓扑结构网络中传输数据时，可以通过路由器进行转发，即多条传输，这样可以很大程度的提高网络的覆盖围。
2.3ZigBee协议栈⑴阳[13][14]
图2-4.ZigBee协议栈体系结果
ZigBee协议栈由一组子层构成，每一层为它的上一层提供特定的服务。
每
个服务实体通过一个SAP（服务接入点）为其上层提供服务接口，每个SAP提供了丰富的基本服务指令用来实现相应的功能。
如上图所示，ZigBee协议栈包
括物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、网络层（NWK）以及应用层（APL）。
IEEE802.15.4定义乐乐最先面的两层：
物理层和媒体访问控制层，ZigBee联盟定义了网络层以及应用层。
2.3.1物理层
ZigBee物理层通过RF固件以及RF硬件为MAC层到PHY层无线信道提供接口。
PHY层包含一个物理管理实体（PLME），这个实体通过调用PHY层的层管理功能函数，为层管理服务提供接口。
同时，PLME还负责维护物理层所管理的目标数据库（即物理层个人区域网信息数据库，PIB），这个数据库包括了物理层个域网络的基本信息。
在物理层中，存在着数据服务接入点以及物理层实体服务接入点，这就以为这通过这两个服务接入点物理层可以提供两种服务，即:
物理层数据服务（通过物理层数据服务接入点（PD-SAP））、物理层管理服务（通过物理层管理实体
（PLME）服务接入点）。
ZigBee物理层的主要任务：
射频发射机的休眠与激活、通信信道选择、数据传输与接收、接收链路质量指示（LQI）、空闲信道评估、检测当前信道的能量。
2.3.1.1工作频段及信道分配
ZigBee的工作在免执照、免付费的ISM（IndustrialScientificandMedical）频段上，即工业、科学和医学频段。
ZigBee定义的三个工作频段共27个信道分别为：
868/915MHZ和2.4GHz。
其中868MHz是欧洲附加的ISM频段，它包括1个数据传输率为20kbps的信道.915MHz是美国附加的ISM频段，包括10个数据传输率为40kbps的信道。
2.4GHz波段是全球统一的免申请的ISM频段，它包含16个数据传输率为250kbps的信道。
868/915MHz频段采用二进制相移键控（BPSK）的直接序列扩频（DSSS）技术，而2.4GHz频段采用的是16相位正交调制技术
（O-QPSK）。
信道中心频率[12]:
fc=868.3MHz，k=0
fc=906+2（k-1）MHz,k=1,2,…10
fc=2405+5（k-11）MHz,k=11,12,…26
K:
表示信道
231.2物理层协议数据单元的结构
4字节
1字节
变量
前同步码
帧定界符
帧长度（
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