ZigBee技术概述
董大城
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ZigBee的概念
ZigBee是一种新兴的短距离、 低复杂度、低功耗、低数据速率、 低成本的无线网络技术。 主要用于近距离无线连接。它 依据IEEE 802.15.4标准，在数千个 微小的传感器之间相互协调实现通 信。
ZigBee无线网络主要是为工业现场自动化控制数据传输 而建立。因此它具备简单、方便、稳定和低成本等特点。
•星型结构
•树型结构
•网型结构
•路由器
•协调器
•终端设备
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ZigBee基本概念
这三种类型都包含一个协调器节点和一系列终端 设备节点。
星形： 簇树： 网状：
星形拓扑结构是最简单的一种拓扑形式，每个终端设备节点只能和协 调器节点进行通信。缺点是节点之间的数据路由只有唯一路径，使协调器 有可能成为整个网络的瓶颈。 该拓扑结构协调器的子节点也能连接一系列的路由器和终端设备（兄 弟节点与堂兄弟节点）。缺点是信息只有唯一的路由通道。 结构与簇树状相似，但是具有更加灵活的信息路由规则，路由节点之 间有可能可以直接通信。而且一旦一条路由路径出现问题，信息可自动沿 着其他路径传输。
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14.1.1 802.15.4和ZigBee区别
802.15.4是 IEEE 组织制定的低速率、无线个人局域网 标准，定义了物理层和节制访问控制层，目标是为在个人 操作空间内相互通信的无线通信设备提供标准，旨在为个 人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。

ZigBee标准是在 IEEE 802.15.4 标准的基础上发展而 来的，旨在确定不同应用制造商之间共享一套标准。
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ZigBee协议
国际电子电机工程协会（IEEE）所制订的802.15.4标准，定义了 物理层（PHY Layer）及媒体存取层（Media Access Control Layer； MAC Layer）。
ZigBee依靠7层OSI开放系 统互连参考模型来建立。该标准 的协议框架结构如右图所示； 在802.15.4基础上还定义了 网络层和应用层。
1、ZigBee路由基本算法 ZigBee网络的协调器与路由器通常支持以下路由操作。 （1）在路由查找及修补时，使用ZigBee路径损耗度量。 （2）维护路由表以记录最佳的可利用路径。 （3）为应用层初始化路由查找。 （4）为其他路由器初始化路由查找。 （5）初始化端到端路由修补。 （6）为其他路由器初始化本地路由修补。
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ZigBee网络路由的实现
2、路由方式
路由的设定通常有以下3种模式。 （1）禁止路由发现（Suppress）。 是，数据包指向该路由器。 网络路由器存在否｛ 否，数据包沿着树形推进。 （2）使能路由发现（Enable）。
是，数据包指向该路由器。当不能确定路由器，启动路由发现过程
网络路由器存在否｛ 否，数据包沿着树形推进。 （3）强制路由发现（Force）。小心使用，产生网络冗余，用于修复。 路由器如有路由发现功能，则启动路由发现过程，发现完成后，数据 沿着计算出来的路由前进。
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ZigBee的网络拓扑结构
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网络设备类型
ZigBee网络中有三种设备类型：协调器、路由器以及终端设备。
•终端设备
•路由器
•协调器
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ZigBee基本概念
设备类型:
Coordinator(协调器)
协调器负责启动整个网络。它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信 道和一个网络 ID(也称之为 PAN ID，即 Personal Area Network ID)，随后 启动整个网络。
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ZigBee协议栈中的术语
绑定(Binding)
ZigBee定义了一个称为端点绑定的特殊过程。绑定即在源节点的某 个端点（ EndPoint）和目标节点的某个端点之间创建一条逻辑链路。
绑定允许应用程序发送一个数据包而不需要知道目标地址。APS层 从它的绑定表中确定目标地址，然后将数据继续向目标应用或者目标组 发送。
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ZigBee数据传输机制
数据传输的确切机制随网络类型的不同而 有所不同。 终端设备必须查询协调器以获取其数据， 而不是保持接收器开启，从而降低功耗。 所以终端设备大部分时间处于休眠状态， 则协调器将会保存大量的数据帧到内部缓 存中，大幅增加协调器RAM的需求。
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ZigBee网络路由的实现
属性(Attribute)
Attribute是一个反映物理数量或状态的数据实体，比如开关值（ On/Off） ,温度值、百分比等，通过命令可以传递给其他设备。
簇(Cluster)
Cluster是使用属性的命令结构体中的一个或多个属性的容器。
终端(EndPoint)
EndPoint是协议栈应用层的入口，它是为实现一个设备描述而定义的 一组群集。每个ZigBee设备可以最多支持240这样的端点，这也意味着在 每个设备上可以定义240个应用对象。端点0被保留用于与ZDO接口而端 点255被保留用于广播，端点241-254则被保留用于将来做扩展使用。
4ZigBee协议1、 Nhomakorabea理层定义了无线信道和MAC子层之间的接口，提供了物理层数据 服务和管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，管理 服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。
物理层能实现如下功能: （1）激活和休眠射频收发器 （2）对当前信道进行能量检测 （3）对收发的包进行链路质量指示 （4）收发数据和空闲信道评估
Router(路由器)
路由器的功能主要是：允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的 由电池供电的儿子终端设备的通讯。
End-Device(终端设备)
终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它 可以可以是一个电池供电设备。
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网络拓扑结构
ZigBee网络中有三种类型的拓扑结构：星型、簇树形以及网状。
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ZigBee的工作频段
ZigBee可使用的频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频 段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不 同频段可使用的信道分别是16、1、10个。
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ZigBee协议
2、介质访问控制层 （MAC）
MAC层提供两种服务：MAC 层数据服务和MAC层管理服务。前者 保证MAC层数据协议单元在物理层数 据服务中的正确收发，后者维护一个 存储MAC子层协议状态相关的数据库。
1、网络负载问题 假如终端设备节点加入网络路由过程无约束和无组
织，会导致不同路由设备所加入的终端设备数量差距巨 大，进而使需处理的数据和时间差距也巨大，会出现严 重的网络负载不均衡现象。
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ZigBee网络的自适应机制
ZigBee网络的自适应机制是为了解决网络的负载平衡。
①网络形成时的网络负载均衡
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ZigBee网络路由的实现
3、路由过程 路由的过程主要包括以下4个步骤。 （1）一设备发出路由请求命令帧，启动路由发现过程。 （2）对应的接收设备收到该命令后，回复应答命令帧。 （3）对潜在的各条路径花费进行评估比较。 （4）最佳路由记录添加到此路径上各个设备的路由表。
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ZigBee网络的自适应机制
｛
②网络形成后的网络自我调节负载
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ZigBee网络的自适应机制
2、均衡过程
最小值
建立网络过程时，中心设备封闭所有主设备的终端 设备加入信号，计算路由设备的数据总量并存储。每次 让终端设备加入其数据量最小的路由设备。 在网络建立后，通信过程中设置定时器，定期反复 扫描搜索通信数据值，决定终端设备的加入与脱离。
（1）配置文件(Profile)
Profile可以理解为共同促成交互式应 用的多个设备描述项的集合。 ZigBee联 盟已经定义了部分标准的配置文件，比如 远程控制开关配置文件和光传感器配置文 件等。 用户也可以创建自己的配置文件然后 递交ZigBee联盟测试、审核批准。
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ZigBee协议栈中的术语
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ZigBee协议
３、网络层
需要提供保证 IEEE 802.15.4 MAC子层正确的操作函数，并为 应用层提供服务接口。
４、应用层
应用层是ZigBee协议栈的 最高层。应用层主要负责把不同的 应用映射到ZigBee网络。应用层包 括应用支持层、ZigBee设备对象和 应用对象。
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ZigBee协议栈中的术语