【摘要】
本文旨在阐述Zigbee技术，详细介绍了Zigbee技术的距离短、功耗低、网络容量大、数据传输可靠性高的特点，以及Zigbee协议栈对Zigbee网络的物理层、数据链路层、网络层以及应用层的通信标准的定义，从而实现Zigbee网络的数据通信。
【关键词】
Zigbee；协议栈；低功耗；低速率
1概述
随着科学技术的不断发展，人们对于日常生活质量的要求越来越高，加上网络移动终端设备的逐渐普及，人们迫切希望能够随时随地地享受到网络服务，也就催生了无线网络的发展和在人们日常生活中的应用。目前，无线网络已经成为人们日常生活的不可缺少的一部分，使得人们的各种网络设备、PC机以及音频视频设备能够快速方便安全的无线连接，加快了家庭的自动化、生活节能化的发展。然而，不同设备和环境对于不同的无线网络的要求不同，例如一些简单的近距离低速传输的常用的家庭设备，如果采用复杂的通信协议，不仅会对设备造成电能的消耗，而且还会浪费通信资源，增加成本，所以需要采用相应的通信协议来进行设备之间的通信和数据传输。Zigbee通信技术是一种应用在通信距离短、传输速度低的设备之间的通信技术，可以对一些通信数据量小的设备提供低成本、低功耗、组网大的技术支持，从而实现家庭或者部分工业生产的无线网络的应用。
2Zigbee技术特点
无线传输协议一直都是朝着大的传输距离以及高的数据通信速率的方向发展。例如移动通信网络的发展历程，从第一代、第二代的传输语音、文字的通信网络到当前第三代、第四代的高速传输视频等媒体的移动通信网络，无论是传输距离还是传输速率上都有了很大的提升。然而Zigbee技术，却处在短距离和低速率的无线网络应用范围，并且其功耗低、容量大、可靠性高等特点，在一些固定低成本功耗低的设备中广泛应用。
基于Zigbee协议的直接的有效通信距离在40m到135m之间，所以在单级设备之间，通信距离是很近的，但是，Zigbee协议支持多级Zigbee路由共连，从而将Zigbee网络的有效通信距离扩大到数百米甚至上千米。Zigbee技术功耗是非常低的，在工作状态下只有30mW，而在休眠状态下仅仅有1μW，所以，一般的直流电池可供Zigbee设备工作6个月到两年不等。Zigbee技术抗干扰能力比较强，其在物理层使用扩频技术，在MAC层增加了talkwheeady的应答重传机制，可以有效地抵抗干扰来确保数据传输的可靠性。基于Zigbee协议的网络可以容纳的网络节点是非常庞大的，理论上，每个Zigbee网络可容纳255个节点，配合协调器可以使多个Zigbee网络互连，从而使一个区域内同时容纳上百个Zigbee网络，极大地扩充了容纳网络节点量。此外，Zigbee协议采用AES128加密算法，为传输数据的完整性检查和鉴权机制和三级安全模式，从而确保了Zigbee网络的数据通信的安全。
3Zigbee协议分析
Zigbee是基于802.15.4的无线通信标准，是在网络设备的微处理器内部运行应用软件，又被称为Zigbee协议栈，其最大数据传输速率为250Kbps。Zigbee协议栈目前有三个较大的版本，最新的版本是与2007年10月发布的Zigbee 2007，该版本包含两个协议栈模板，分别是2006年发布的协议栈模板Stack Profile 1以及2007年发布的Zigbee Pro协议模板Stack Profile 2。Zigbee协议栈是采用分层的机构，对网络的物理层、数据链路层、网络层以及应用层进行了通信标准的定义和应用，而处在低层的网络通信层为上一层的网络通信层通过服务接入点SAP（Service Access Point）提供相应的数据传输的服务。
物理层：Zigbee协议规定了Zigbee通信技术使用的频段，分别为915MHZ、868MHZ以及2.4GHZ，从而为Zigbee网络提供2MHZ、5MHZ以及0.6MHZ的通信带宽。此外，Zigbee协议利用DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）的直接序列扩频技术，将无线通信信号化整为零，分为多个通信信号，然后再进行编码传送。处在915MHZ和868MHZ频段的通信信号采用的BPSK调相技术，而处在2.4GHZ频段的通信信号则采用了OQPSK调相技术。
数据链路层：Zigbee技术在MAC层采用了时分复用的GTS接入技术以及CSMA/CA的随机接入技术，并且规定了信标和非信标的信道接入模式，从而有效地避免了处在相邻节点的数据传输冲突。利用信标模式，可以将网络小规模地同步，而非信标模式，则是采用竞争模式来接入信道进行传输。
网络层：Zigbee利用树路由和网状路由完成Zigbee网络的路由查找、节点接入等功能，从而实现了Zigbee网络的星状、树状、网状等多种拓扑结构的分布式网络。Zigbee网络层的主要构造设备有协调器、路由器以及末端节点三种。其中协调器是构建和启动Zigbee网络的主要设备，担任该网络的数据交换的角色，为Zigbee网络提供网络安全、绑定等功能。路由器则是为Zigbee网络提供了多跳路由、辅助网络节点进行通信的功能。末端节点则负责将数据传送至协调器或者从协调器内获取数据，辅助Zigbee网络进行数据传输。
应用层：Zigbee协议为提供了APS应用支持子层，AF应用框架以及ZDO应用设备对象，从而为实际应用提供统一API，实现相关功能。其中APS包括了协议数据单元的的处理、同网络内的数据传输机制以及对管理对象数据库的维护功能。AF则为应用地向提供了键值和报文服务，从而实现用户对应用对象的自定义。ZDO主要对Zigbee的网络进行维护和管理。
4总结
Zigbee通信技术主要是针对短距离低速率低功耗的网络平台应用技术，实现网络低成本低消耗的数据通信。同时，Zigbee协议栈对网络的物理层、数据链路层、网络层和应用层的通信标准和接口进行了定义，并采用相关的机制实现Zigbee网络安全可靠低功耗的数据通信。
参考文献：
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