括建立、维持和管理网络，分配网络地址等。所以可以将
Zigbee网络协调器认为是整个Zigbee网络的“大脑”。 Zigbee网络路由器主要负责路由发现、消息传输、
允许其他节点通过它接入到网络。
Zigbee终端节点通过Zigbee协调器或者Zigbee路由器 接入到网络中，Zigbee终端节点主要负责数据采集或控制
服务原语：Zigbee协议栈是一种分层结构，从下至上第
N层向第N + 1层或者第N + 1层向第N层提供一组操作(也
叫服务)，这种“操作”叫做服务原语。它一般通过一段不 可分割的或不可中断的程序实现其功能。服务原语用以实
现层和层之间的信息交流。
服务访问接口：服务访问接口(Service Access Point， SAP)是某一特定层提供的服务与上层之间的接口。这里所
详细内容见2.3节。
图2-3 Zigbee协议体系架构
2. 网络层
网络层提供保证IEEE802.15.4 MAC层正确工作的能
力，并为应用层提供合适的服务接口，包括数据服务接口 (MCPS)和管理服务接口(MLME)。
数据服务接口的作用主要有两点：
一是为应用支持子层的数据添加适当的协议头以便产生 网络协议数据单元。
间进行通信。 树型网络由一个协调器和多个星型结构连接而成，
设备除了能与自己的父节点或子节点互相通信外，其他只
能通过网络中的树型路由完成通信。
图2-2 Zigbee网络拓扑结构
网状型网络是在树型网络的基础上实现的。与树状网
络不同的是，它允许网络中所有具有路由功能的节点互相
通信，由路由器中的路由表完成路由查寻过程。
和MAC层之间传输管理服务之外，还负责维护物理层PAN
信息库(PHY PIB)。
物理层数据服务访问接口(Physical Data SAP，简称
PD-SAP)，PD-SAP负责为物理层和MAC层之间提供数据服
务。 PLME-SAP和PD-SAP通过物理层服务原语实现物理
层的各种功能，如图2-4所示。
指示物理层进行能量检测(ED)。
能量检测确认原语由物理层产生，物理层在接收到能量 检测原语后把当前信道状态以及当前信道的能量值返回给
MAC子层。语法如下：
PLME-ED.confirm(
status,
Energy Level )
其中状态参数status将指示能量检测失败的原因
(TRX_OFF或TX_ON)，如果设备处于收发关闭状态 (TRX_OFF)或发送使能状态(TX_ON)时，则无法进行能量
大多数层有两个接口：数据服务接口和管理服务接口。
数据服务接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务； 管理服务接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置
和管理数据服务。
Zigbee协议体系架构是在IEEE802.15.4标准的基础上建立 的，IEEE802.15.4标准定义了Zigbee协议的物理层和MAC 层。
IEEE 802.15.4标准的物理层所实现的功能包括数据
的发送与接收、物理信道的能量检测、射频收发器的激活
与关闭、空闲信道评估、链路质量指示、物理层属性参数 的获取与设置。这些功能是通过物理层服务访问接口来实
现的，物理层主要有两种服务接口(SAP)：
物理层管理服务访问接口(Physical Layer Management Entity，简称PLME-SAP)，PLME-SAP除了负责在物理层
第2章 Zigbee技术原理
2.1 概述 2.2 Zigbee网络结构
2.3 IEEE802.15.4通信层
2.4 Zigbee网络层 2.5 Zigbee应用层
本章目标
理解Zigbee网络结构。 掌握IEEE802.15.4通信层。
掌握MAC层和网络层帧结构。
掌握Zigbee网络层服务规范。 掌握Zigbee应用层规范。
图2-4 物理层参考模型
4. 数据的发送与接收
ห้องสมุดไป่ตู้
数据的发送和接收是通过PD-SAP提供的PD-DATA
原语完成的，它可以实现两个MAC子层的MAC协议数据单 元(MAC Protocol Data Unit，MPDU)传输。IEEE802.15.4
标准专门定义了三个与数据相关的原语：
数据请求原语(PD-DATA.Request)， 数据确认原语(PD-DATA. comfirm)
因此Zigbee设备应该包括IEEE802.15.4的物理层和MAC层
以及Zigbee堆栈层，其中Zigbee堆栈层包括Zigbee联盟定义
的网络层和应用层以及安全服务商提供的安全服务层。 1. 物理层和MAC层
IEEE802.15.4标准为低速率无线个人域网定义了OSI
模型最底层的两层，即物理层和MAC层，也是Zigbee协议 底部的两层，因此这两层也称为IEEE 802.15.4通信层。其
检测。在具体实现中，一般射频芯片会使用特定的寄存器
存放当前的信道状态以及信道的能量值。 注意：在Zstack协议栈中，用户往往会提前指定信 道的使用，以便于Zigbee网络的管理和维护。
6. 射频收发器的激活与关闭
为了满足低功耗要求，在不需要无线数据收发时，
可以选择关闭底层射频收发器。802.15.4标准定义了两个相 关的原语：
通信距离。在868/915 MHz频段中，868 MHz支持1个数据 速率为20 kb/s的信道，915 MHz支持10个数据速率为
40 kb/s的信道。
2. 信道的分配
IEEE802.15.4物理层在三个频段上划分了27个信道，
信道编号k为0～26。2.4 GHz频段上划分了16个信道， 915 MHz频段上有10个信道，868 MHz频段只有1个信道。
（1）. 星型网络的形成过程
在星型网络中，协调器作为发起设备，协调器一旦被激
活，它就建立一个自己的网络，并作为PAN协调器。路由 设备和终端设备可以选择PAN标识符加入网络。不同PAN
标识符的星型网络中的设备之间不能进行通信。
（2）. 树型网络的形成过程
在树型网络中，由协调器发起网络，路由器和终端设备
功能，但不允许其他节点通过它加入到网络中。
本节将重点介绍Zigbee网络体系、Zigbee网络拓扑结 构和Zigbee协议架构。
2.2.1 网络体系
按照OSI模型，Zigbee网络分为4层，从下向上分别为物
理层、媒体访问控制层(MAC)、网络层(NWK)和应用层。 其中物理层和MAC层由IEEE802.15.4标准定义，合称
27个信道的中心频率和对应的信道编号定义如下：
3. 物理层服务规范
物理层的主要功能是在一条物理传输媒体上，实现
数据链路实体之间透明地传输各种数据比特流。它提供的 主要服务包括：物理层连接的建立、维持与释放，物理服
务数据单元的传输，物理层管理，数据编码。物理层功能
涉及“服务原语”和“服务访问接口”两个概念，它们的 意义如下所述。
收发器状态设置请求原语(PLME-SET-TRX-STATE. request)
学习导航
2.1 概述
本章主要介绍Zigbee技术原理，这是更深入了解 Zigbee协议的应用以及后续开发的基础。
2.2 Zigbee网络结构
Zigbee技术是一种低数据传输速率的无线个域网，
网络的基本成员称为设备。网络中的设备按照各自作用的
不同可以分为协调器节点、路由器节点和终端节点。
Zigbee网络协调器是整个网络的中心，它的功能包
厂商定义的应用对象功能包括：提供一些必要函数，
为网络层提供合适的服务接口。另外一个重要的功能是应
用者可以在这层定义自己的应用对象。
2.3 IEEE802.15.4通信层
IEEE802.15.4规范满足国际标准组织(ISO)开放系统 互联(OSI)参考模式，它定义了Zigbee的物理层和MAC层。
加入网络。设备加入网络后由协调器为其分配16位短地址， 具有路由功能的设备可以拥有自己的子设备。但是在树型
网络中，子设备只能和自己的父设备进行通信，如果某终
端设备要与非自己父设备的其他设备通信，必须经过树型 路由进行通信。
（3）. 网状型网络的形成过程
在网状型网络中，每个设备都可以与在无线通信范
围内的其他任何设备进行通信。理论上任何一个设备都可 定义为PAN主协调器，设备之间通过竞争的关系竞争PAN
250 kb/s的信道。
868 MHz是欧洲的ISM频段，915 MHz是美国的
ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4 GHz附近各种无线
通信设备的相互干扰。868 MHz的传输速率为20 kb/s， 915 MHz的传输速率是40 kb/s。这两个频段上无线信号传
播损耗较小，可以降低对接收灵敏度的要求，获得较远的
数据指示原语(PD-DATA.Indication)。
语法见P18内容
5. 物理能量信道的检测
协调器在构建一个新的网络时，需要扫描所有信道(
在MAC层这种扫描称作ED_SCAN)，然后为网络选择一个 空闲的信道，这个过程在底层是借助物理信道能量检测来
完成的。如果一个信道被别的网络占用，体现在信道能量
备对象（ZDO）和厂商定义的应用对象。 应用支持子层提供了网络层和应用层之间的接口，
包括数据服务接口和管理服务接口。其中管理服务接口提
供设备发现服务和绑定服务，并在绑定的设备之间传送消 息。
Zigbee设备对象功能包括：定义设备在网络中的角
色(比如协调器、路由器或终端设备)，发起和响应绑定请 求，在网络设备之间建立安全机制。另外，还负责发现网 络中的设备，并且向他们提供应用服务。
2.3.1 物理层
物理层负责的主要功能包括：工作频段的分配，信
道的分配以及为MAC层服务提供数据服务和管理服务。 1. 工作频段的分配