ZigBee無線技術介紹

概述

ZigBee是一個基于 IEEE 802.15.4標準的低功耗物聯網標準，它由Zigbee 聯盟來維護，可以使用在家庭自動化、醫療設備數據收集和其他低功耗低帶寬的應用場景。和藍牙和Wifi相比，它的特點是低功耗，近距離且是自組織的網絡。它的最高速率是250 kbit / s，具有128位的對稱加密算法的保護，具有較高的安全性。ZigBee本身支持星型網絡和樹形網絡和網狀網絡。

歷史

第一個ZigBee標準 IEEE 802.15.4-2003在2004年12月被批準，在2005年6月zigbee規范v1.0宣布可用，我們稱為zigbee 2004. 2006年zigbee 2006規范可用，替代了2004使用的協議棧，在2007年推出了Zigbee PRO。2009年推出Zigbee RF4CE簡化了協議，適應一對一和一對多網絡，主要為家電的控制。2017年推出了Zigbee PRO 2017。

使用場景

zigbee被設計為低功耗，低速率的應用場景，主要使用在家庭自動化，無線傳感器網絡，工業控制系統，嵌入式傳感器、醫療數據收集、煙霧及闖入者警告、樓宇自動化、遠程無線麥克風配置等場合。它不適合在高速率和高速移動的場合。

傳輸特性

zigbee使用免費的頻率，包括2.4 -2.4835G，902 -928 MHz(美洲和澳大利亞)， 868 -868.6 MHz(歐洲), 它在在2.4G下速率最高，有16個頻道，5M帶寬但只使用了2M，速度達到250kbit/s, 在915M和868M下面能達到40kbit/s 和20kbit/s，這都是理論最大速率，由于包開銷和處理延遲，實際數據吞吐量將小于指定的最大比特率。在射頻功率為20dbm（100mw）情況下，2.4G頻率的傳輸距離室內大約是10-20米左右，室外最大可達到300米。

設備類型和操作模式

zigbee有三種設備類型

ZC: Zigbee協調器，功能最強的設備，協調器構成網絡樹的根，可以連接到其他網絡。每個網絡中只有一個Zigbee協調器，因為它是最初啟動網絡的設備。它存儲有關網絡的信息，包括充當安全密鑰的信任中心和存儲庫

ZR：Zigbee路由器，除了運行應用程序功能外，路由器還可以充當中間路由器，傳遞來自其他設備的數據。

ZED：Zigbee終端設備，只包含與父節點(協調器或路由器)通信的足夠功能;它不能從其他設備中繼數據。這種關系允許節點在相當長的時間內處于休眠狀態，從而延長電池壽命。ZED需要最少的內存，因此，它的制造成本比ZR或ZC要低。

當前的zigbee網絡里有兩種模式，帶信標（beacon）的和不帶信標的（non-beacon），在信標不啟用的網絡中，使用不帶時隙的CSMA / CA信道訪問機制。在這種類型的網絡中，Zigbee的路由器和接收端不能休眠，導致耗電量大。

在啟用信標的網絡中，Zigbee路由器節點發送周期性信標，zigbee的接收節點將定時的喚醒。節點在兩個信標之間時間內睡眠，從而降低其占空比并延長其電池壽命。信標間隔取決于數據速率，它們在250 kbit / s時可以從15.36毫秒到251.65824秒， 在40 kbit / s時從24毫秒到393.216秒，在20 kbit / s時從48毫秒到786.432秒。

ZigBee的協議層

上圖是的ZigBee協議層示意圖，IEEE 802.15.4定義了物理層和mac層。

2003版本規定了基于直接序列擴頻（DSSS）技術的兩個物理層：一個工作在868/915 MHz頻段，傳輸速率為20和40 kbit / s，一個工作在2450 MHz頻段速率為250 kbit / s。

介質訪問控制（MAC）使MAC的發送通過使用物理信道的幀。除了數據服務，它還提供管理界面，并自身管理對物理信道和網絡信標的訪問。它還控制幀驗證，保證時隙并處理節點關聯。最后，它提供了安全服務的回調函數。

網絡模型

上圖是一個zigbee的三種拓撲網絡，紅色為ZigBee協調器，藍色為ZigBee路由器，黃色為ZigBee末端節點。

ZigBee的一個重要特點就是可以自組織網絡和跳轉傳輸數據。在mesh網絡下面，任何一個節點故障都不會影響通信，節點會自動的尋找合適的路徑進行通信。如下圖所示。