概述

ZigBee是一個(gè)基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，它由Zigbee 聯(lián)盟來維護(hù)，可以使用在家庭自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)收集和其他低功耗低帶寬的應(yīng)用場(chǎng)景。和藍(lán)牙和Wifi相比，它的特點(diǎn)是低功耗，近距離且是自組織的網(wǎng)絡(luò)。它的最高速率是250 kbit / s，具有128位的對(duì)稱加密算法的保護(hù)，具有較高的安全性。ZigBee本身支持星型網(wǎng)絡(luò)和樹形網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

歷史

第一個(gè)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4-2003在2004年12月被批準(zhǔn)，在2005年6月zigbee規(guī)范v1.0宣布可用，我們稱為zigbee 2004. 2006年zigbee 2006規(guī)范可用，替代了2004使用的協(xié)議棧，在2007年推出了Zigbee PRO。2009年推出Zigbee RF4CE簡(jiǎn)化了協(xié)議，適應(yīng)一對(duì)一和一對(duì)多網(wǎng)絡(luò)，主要為家電的控制。2017年推出了Zigbee PRO 2017。

使用場(chǎng)景

zigbee被設(shè)計(jì)為低功耗，低速率的應(yīng)用場(chǎng)景，主要使用在家庭自動(dòng)化，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)控制系統(tǒng)，嵌入式傳感器、醫(yī)療數(shù)據(jù)收集、煙霧及闖入者警告、樓宇自動(dòng)化、遠(yuǎn)程無線麥克風(fēng)配置等場(chǎng)合。它不適合在高速率和高速移動(dòng)的場(chǎng)合。

傳輸特性

zigbee使用免費(fèi)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(gè)頻道，5M帶寬但只使用了2M，速度達(dá)到250kbit/s, 在915M和868M下面能達(dá)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(shí)際數(shù)據(jù)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(nèi)大約是10-20米左右，室外最大可達(dá)到300米。

設(shè)備類型和操作模式

zigbee有三種設(shè)備類型

ZC: Zigbee協(xié)調(diào)器，功能最強(qiáng)的設(shè)備，協(xié)調(diào)器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)樹的根，可以連接到其他網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)Zigbee協(xié)調(diào)器，因?yàn)樗亲畛鯁?dòng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。它存儲(chǔ)有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的信息，包括充當(dāng)安全密鑰的信任中心和存儲(chǔ)庫

ZR：Zigbee路由器，除了運(yùn)行應(yīng)用程序功能外，路由器還可以充當(dāng)中間路由器，傳遞來自其他設(shè)備的數(shù)據(jù)。

ZED：Zigbee終端設(shè)備，只包含與父節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器或路由器)通信的足夠功能;它不能從其他設(shè)備中繼數(shù)據(jù)。這種關(guān)系允許節(jié)點(diǎn)在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)處于休眠狀態(tài)，從而延長電池壽命。ZED需要最少的內(nèi)存，因此，它的制造成本比ZR或ZC要低。

當(dāng)前的zigbee網(wǎng)絡(luò)里有兩種模式，帶信標(biāo)（beacon）的和不帶信標(biāo)的（non-beacon），在信標(biāo)不啟用的網(wǎng)絡(luò)中，使用不帶時(shí)隙的CSMA / CA信道訪問機(jī)制。在這種類型的網(wǎng)絡(luò)中，Zigbee的路由器和接收端不能休眠，導(dǎo)致耗電量大。

在啟用信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，Zigbee路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送周期性信標(biāo)，zigbee的接收節(jié)點(diǎn)將定時(shí)的喚醒。節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)信標(biāo)之間時(shí)間內(nèi)睡眠，從而降低其占空比并延長其電池壽命。信標(biāo)間隔取決于數(shù)據(jù)速率，它們?cè)?50 kbit / s時(shí)可以從15.36毫秒到251.65824秒， 在40 kbit / s時(shí)從24毫秒到393.216秒，在20 kbit / s時(shí)從48毫秒到786.432秒。

ZigBee的協(xié)議層

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

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

介質(zhì)訪問控制（MAC）使MAC的發(fā)送通過使用物理信道的幀。除了數(shù)據(jù)服務(wù)，它還提供管理界面，并自身管理對(duì)物理信道和網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)的訪問。它還控制幀驗(yàn)證，保證時(shí)隙并處理節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)。最后，它提供了安全服務(wù)的回調(diào)函數(shù)。

網(wǎng)絡(luò)模型

上圖是一個(gè)zigbee的三種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，紅色為ZigBee協(xié)調(diào)器，藍(lán)色為ZigBee路由器，黃色為ZigBee末端節(jié)點(diǎn)。

ZigBee的一個(gè)重要特點(diǎn)就是可以自組織網(wǎng)絡(luò)和跳轉(zhuǎn)傳輸數(shù)據(jù)。在mesh網(wǎng)絡(luò)下面，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)故障都不會(huì)影響通信，節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)的尋找合適的路徑進(jìn)行通信。如下圖所示。