ZigBee(紫蜂)技术讲解
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如下图所示。在这种网络结构中设备之间传输 数据时，可以通过路由器转发，即多跳的传输 方式，以增大网络的覆盖范围。网形拓扑结构 具有强人功能。
网状拓扑
网络拓扑
ZigBee网络的拓扑结构
ZigBee的协议架构
1. zigbee网络协议栈概述
应用程序框架
应用层
ZDO
应用 对象 240
端点 240 服务接入点
而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个 基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个 紫蜂网络 “基站”却不到1000元人民币。
ZigBee技术特点
紫蜂是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流 行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流 行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、 20kbit/s和40kbit/s的传输速率。
• ZigBee是一种开放的协议，物理层（PHY）和 MAC层则采用了IEEE 802.15.4标准，而其他 上层则由ZigBee联盟自己定义。其主要特点如 下：
ZigBee技术特点
（1）低功耗。ZigBee网络结点设备工作周期较短、收 发信息功率低，降低帧开销以及实行严格的功率管理 机制来降低设备的功耗，并且采用了休眠模式。
（6）工作频段灵活。 使用的频段分别为 2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美 国），均为免执照频段。
ZigBee的网络组成和网络拓扑 ------ZigBee网络的设备类型
ZigBee网络中的设备按照性能分为两类：全 功能设备和精简功能设备。
全功能设备(Full Function Device，FFD)，具有完 整功能的全功能设备，支持协议标准定义的所有的 功能和特性。
协调器(ZigBee Coordinator，ZC)必须是FFD，一 个ZigBee网络有且仅有一个协调器，它的任务包括 网络启动，信道选择，16位网络设备地址分配，发 送时间信标，维护网络，具有最多的存储空间和计 算能力。
路由器(ZigBee Router，ZR)必须是FFD，任务包 括数据存储转发，邻居发现，路由发现和维护。
APS 安全 管理模块
SPA 服务接入点
应用
…
对象 1
…
端点 1 服务接入点
APS 应用支持子层
APS 信息 分析模块
网络层
公
ZDO
共
接
口
端点 0 服务接入点
SAP
服
网络
务
管理模块
接
入
点
ZDO 管理 平面
SAP
网络安全 管理模块
网络信息 分析模块
SAP 服务接入点
服
路由 管理模块
网络 管理模块
务 接 入
也可以是RFD。 显然，树形结构是由星形网络扩展而来。树形网络中只有父
子节点之间可以进行数据传输，数据沿树形结构向上或向下 传输，从一个节点传输到相邻的节点称为“一跳”。如图所 示：
网状拓扑结构
在网形拓扑结构的网络中有一个网络协调器， 通信范围内的全功能节点之间可以相互通信， 每个全功能节点都具有路由功能。
入（CSMA-CA）机制； （6）处理和维护保护时隙（GTS）机制； （7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠
的通信链路。
帧结构
一个完整的MAC帧(MPDU)由帧首部、帧载荷和帧 尾三部分构成，其通用格式如图：
2字节
帧控制
1字节
序 列 号
0/2字节
目的 PAN 标识符
0/2/8字节
目的地址
0/2字节
（2）传输可靠，抗干扰强。采用DSSS直接序列扩频技 术，以化整为零的方式将一个信号分为多个信号，抗 干扰性强。 ZigBee采用了载波侦听多址/冲突避免 (CSMA/CA) 的信道接入方式和完全握手协议。MAC 层采用了回复确认的数据传输机制， 提高了可靠性。
（3）低成本。由于ZigBee协议栈设计简练，因此，它 的研发成本相对较低。通信模块在2美元左右，蓝牙 模块在8美元左右。
2．帧定界符(SFD)为11100101，一个字节，用来标示 同步码的结束和数据包的开始。
3．物理层帧首部由一个字节组成，最高位保留，后七 位用来表示有效载荷的数据长度。
4．PSDU域是物理层携带的有效载荷，长度为0到127 字节。长度为5字节时为MPDU(确认帧)，长度大于7 字节时为MAC层的有效帧，其余长度的作为保留。
(5)PAN内部标记子域的长度为l位，该位置1时，表示 该MAC帧在本身所属的PAN内传输，这时帧的地址域 中不包含源PAN标识符；为0时，表示该帧是传输到 另一个PAN，帧中必须包含源节点和目的节点的PAN 标识符。
帧首部—控制域
帧控制域结构
(6)目的地址模式子域的长度2位，它表示的意 义如下：
1. 紫蜂技术（ZigBee） 简介
ZigBee这个名字来源于 蜂群的通信方式：蜜蜂之 间通过跳Zigzag形状的舞 蹈来交互消息，以便共享 食物源的方向、位置和距 离等信息。借此意义 Zigbee作为新一代无线通 讯技术的命名。
紫蜂是一种高可靠的无线数传网络，类似于 CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于 移动网络基站。
点
SAP 服务接入点 MAC 层
SAP 服务接入点
SAP 服务接入点 物理层
2.4 GHz
868/915 MHz
2.物理层协议规范
物理层不仅规定了信号的工作频率范围、调制 方式和传输速率，而且还规定了物理层的功能 和为上层提供的服务。物理层的主要任务是通 过无线信道进行安全有效的数据通信，为 MAC层提供服务。它具备以下功能：
终端设备(ZigBee End Device，ZE)可以是FFD也 可以是RFD，只能发送接收数据。
网络拓扑
ZigBee支持3种拓扑结构，包括星形、网状形 和簇树形结构。
在星形拓扑结构中，整个网络由一个网络协调 器来控制。在网状形和簇树形拓扑结构中， ZigBee协调器负责启动网络以及选择关键的网 络参数。
ZigBee（紫蜂）技术
ZigBee技术特点 ZigBee网络组成 ZigBee网络的协议的框架结构 ZigBee路由协议
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、 低速率、低成本的双向无线通讯技术。
主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各 种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周 期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输 的应用。
00：PAN标识符和地址子域不存在 01：保留 10：表示16位短地址 11：表示64位物理地址
帧首部—控制域
帧控制域结构
(7)源地址模式子域的长度2位，它表示的意义如下：
00： PAN标识符和地址子域不存在 01：保留 10：表示16位短地址 11：“表示64位物理地址
ZigBee采用DSSS技术调制发射，用于多个Baidu Nhomakorabea 线传感器组成网状网络，是一种短距离、低速 率低功耗的无线网络传输技术，
采用DSSS技术调制发射，用于多个无线传感 器组成网状网络，新一代的无线传感器网络将 采用802.15.4(ZigBee)协议。
802.15.4仅仅定义了物理层和MAC层，并不足 以保证不同的设备之间可以对话，于是便有了 ZigBee。
星形拓扑结构
1．星形拓扑结构
星形拓扑结构的网络由一个协调器节点和若干从设 备节点组成。协调器负责网络的建立维护和数据转 发，从设备只能和协调器进行直接数据传输，而与 其他终端设备之间数据传输必须经过网络协调器转 发。从设备可以是FFD也可以是RFD。星形结构通 常用于小范围的场合。
星形拓扑结构
精简功能设备(Reduced Function Device，RFD)， 只具有部分功能的精简功能设备。RFD的功能非常 简单，存储容量要求很少，可以用最低端的微控制 器实现，在网络里只能作为终端设备。
ZigBee的网络组成和网络拓扑
------ZigBee网络的设备类型
按照功能分为三类：协调器、路由器和终端设 备。
2.物理层协议规范
物理层协议数据单元结构(PPDU)又称物理层 数据包，是由附加的同步包头、物理层包头和 物理层有效载荷(PSDU)组成，结构如图：
物理层协议数据单元结构
物理层协议数据单元各字段
1．前同步码由32个0组成，接收设备根据接收到的同步 码获取同步信息识别每一位，从而进一步区分出“字 符"。
例如图所示，0节点作为网络协调器，负责建 立网络，1到8节点作为从设备节点接入网络， 这些节点都可以与0节点直接传输数据，而它 们之间的数据传输必须由0节点转发。
树形拓扑结构
树形拓扑结构的网络由一个根节点和若干子节点构成， 这些子节点可以有自己的子节点。
树的根节点是网络的协调器，因此必须是FFD； 既有子节点又有父节点的节点作为路由器，也必须是FFD； 只有父节点而没有子节点的节点叫做叶节点，既可以是FFD
源 PAN 标识符
MHR（MAC层帧头）
0/2/8字节 可变 2字节
源地址 帧载荷 FCS
MAC 载荷
MFR
图 4-12 MAC子层数据帧格式
帧首部—控制域
1．帧控制域帧控制域的长度为16位，其结构 如图：
帧控制域结构 (1)帧类型子域定义了四种帧类型：信标帧(000)、数据帧(001)、确认帧 (010)、命令帧(011)。 (2)安全允许控制子域为1位，该位置1，则对该帧进行加密处理后再传送 到物理层；该位置0，则直接传送到物理层，不进行加密。
2.物理层协议规范—频段
物理层协议规范—频段
868 MHz 物理层 信道 0
915 MHz 物理层
信道 1～10
2 MHz
868.3 MHz 2.4 GHz 物理层
902 MHz 信道 11～26
908 MHz 5 MHz
2.4 GHz
Zigbee频率和信道分布
2.4835 GHz
3. MAC层协议规范
1．信道选择(channel select)； 2．信道能量监测(energy detect)； 3．空闲信道评估(clear channel assessment)： 4．无线信道收发数据(PHY Protocol Data Unit)； 5．接收包链路质量检测；
2.物理层协议规范
ZigBee采用了扩频通信技术，在2．4GHZ频 带上使用偏移正交相移键控调制法(Offset Quadrature Phase Shift Keying，OQPSK)， 而在868／915MHZ频带使用二进制移相键控 调制法(Binary Phase Shift Keying，BPSK)。
帧首部—控制域
帧控制域结构
(3)未处理数据标记子域长度为1位，该位置1，则表 示除该帧数据外，本设备还有应发送给对方的数据， 因此，接收该帧的设备应向本设备再次发送请求数据 命令，直到所有的数据传送完毕。如果发送设备中已 经没有要发送给接收方的数据了，就把该位置0。
帧首部—控制域
帧控制域结构
(4)请求确认子域的长度为1位，该位置l时，接收方接 收到有效帧后应向发送方发送确认帧，该位置0时接 收方不需要发送确认帧。
ZigBee 的MAC层的任务是为两个ZigBee设备 的MAC层实体之间提供可靠的数据链路，处 理所有物理层无线信道的接入。它通过公共部 分子层服务接入点提供数据服务，通过管理实 体服务接入点提供管理服务。 MAC层的主要 功能包括：
MAC层功能
（1）网络协调器产生网络信标； （2）与信标同步； （3）支持个域网链路的建立和断开； （4）为设备的安全提供支持； （5）信道接入当时采用免冲突载波检测多址接
通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并 且支持无限扩展。
ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块 组成的一个无线网络平台，在整个网络范围内， 每一个网络模块之间可以相互通信，每个网络 节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。
与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是， 紫蜂网络主要是为工业现场自动化控制数据传 输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便， 工作可靠，价格低的特点。
（4）安全。ZigBee技术提供了数据完整性检查和鉴权功 能，加密算法采用AES 128/64/32，并且各应用可以 灵活地确定其安全属性，使网络安全能够得到更有效 的保障。
（5）速度快，距离远。 ZigBee工作在20～250kbps的 速率，分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz) 和20kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率 传输数据的应用需求。传输范围一般介于10～100m之 间，在增加发射功率后，亦可增加到1～3km。
网状拓扑
网络拓扑
ZigBee网络的拓扑结构
ZigBee的协议架构
1. zigbee网络协议栈概述
应用程序框架
应用层
ZDO
应用 对象 240
端点 240 服务接入点
而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个 基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个 紫蜂网络 “基站”却不到1000元人民币。
ZigBee技术特点
紫蜂是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流 行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流 行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、 20kbit/s和40kbit/s的传输速率。
• ZigBee是一种开放的协议，物理层（PHY）和 MAC层则采用了IEEE 802.15.4标准，而其他 上层则由ZigBee联盟自己定义。其主要特点如 下：
ZigBee技术特点
（1）低功耗。ZigBee网络结点设备工作周期较短、收 发信息功率低，降低帧开销以及实行严格的功率管理 机制来降低设备的功耗，并且采用了休眠模式。
（6）工作频段灵活。 使用的频段分别为 2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美 国），均为免执照频段。
ZigBee的网络组成和网络拓扑 ------ZigBee网络的设备类型
ZigBee网络中的设备按照性能分为两类：全 功能设备和精简功能设备。
全功能设备(Full Function Device，FFD)，具有完 整功能的全功能设备，支持协议标准定义的所有的 功能和特性。
协调器(ZigBee Coordinator，ZC)必须是FFD，一 个ZigBee网络有且仅有一个协调器，它的任务包括 网络启动，信道选择，16位网络设备地址分配，发 送时间信标，维护网络，具有最多的存储空间和计 算能力。
路由器(ZigBee Router，ZR)必须是FFD，任务包 括数据存储转发，邻居发现，路由发现和维护。
APS 安全 管理模块
SPA 服务接入点
应用
…
对象 1
…
端点 1 服务接入点
APS 应用支持子层
APS 信息 分析模块
网络层
公
ZDO
共
接
口
端点 0 服务接入点
SAP
服
网络
务
管理模块
接
入
点
ZDO 管理 平面
SAP
网络安全 管理模块
网络信息 分析模块
SAP 服务接入点
服
路由 管理模块
网络 管理模块
务 接 入
也可以是RFD。 显然，树形结构是由星形网络扩展而来。树形网络中只有父
子节点之间可以进行数据传输，数据沿树形结构向上或向下 传输，从一个节点传输到相邻的节点称为“一跳”。如图所 示：
网状拓扑结构
在网形拓扑结构的网络中有一个网络协调器， 通信范围内的全功能节点之间可以相互通信， 每个全功能节点都具有路由功能。
入（CSMA-CA）机制； （6）处理和维护保护时隙（GTS）机制； （7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠
的通信链路。
帧结构
一个完整的MAC帧(MPDU)由帧首部、帧载荷和帧 尾三部分构成，其通用格式如图：
2字节
帧控制
1字节
序 列 号
0/2字节
目的 PAN 标识符
0/2/8字节
目的地址
0/2字节
（2）传输可靠，抗干扰强。采用DSSS直接序列扩频技 术，以化整为零的方式将一个信号分为多个信号，抗 干扰性强。 ZigBee采用了载波侦听多址/冲突避免 (CSMA/CA) 的信道接入方式和完全握手协议。MAC 层采用了回复确认的数据传输机制， 提高了可靠性。
（3）低成本。由于ZigBee协议栈设计简练，因此，它 的研发成本相对较低。通信模块在2美元左右，蓝牙 模块在8美元左右。
2．帧定界符(SFD)为11100101，一个字节，用来标示 同步码的结束和数据包的开始。
3．物理层帧首部由一个字节组成，最高位保留，后七 位用来表示有效载荷的数据长度。
4．PSDU域是物理层携带的有效载荷，长度为0到127 字节。长度为5字节时为MPDU(确认帧)，长度大于7 字节时为MAC层的有效帧，其余长度的作为保留。
(5)PAN内部标记子域的长度为l位，该位置1时，表示 该MAC帧在本身所属的PAN内传输，这时帧的地址域 中不包含源PAN标识符；为0时，表示该帧是传输到 另一个PAN，帧中必须包含源节点和目的节点的PAN 标识符。
帧首部—控制域
帧控制域结构
(6)目的地址模式子域的长度2位，它表示的意 义如下：
1. 紫蜂技术（ZigBee） 简介
ZigBee这个名字来源于 蜂群的通信方式：蜜蜂之 间通过跳Zigzag形状的舞 蹈来交互消息，以便共享 食物源的方向、位置和距 离等信息。借此意义 Zigbee作为新一代无线通 讯技术的命名。
紫蜂是一种高可靠的无线数传网络，类似于 CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于 移动网络基站。
点
SAP 服务接入点 MAC 层
SAP 服务接入点
SAP 服务接入点 物理层
2.4 GHz
868/915 MHz
2.物理层协议规范
物理层不仅规定了信号的工作频率范围、调制 方式和传输速率，而且还规定了物理层的功能 和为上层提供的服务。物理层的主要任务是通 过无线信道进行安全有效的数据通信，为 MAC层提供服务。它具备以下功能：
终端设备(ZigBee End Device，ZE)可以是FFD也 可以是RFD，只能发送接收数据。
网络拓扑
ZigBee支持3种拓扑结构，包括星形、网状形 和簇树形结构。
在星形拓扑结构中，整个网络由一个网络协调 器来控制。在网状形和簇树形拓扑结构中， ZigBee协调器负责启动网络以及选择关键的网 络参数。
ZigBee（紫蜂）技术
ZigBee技术特点 ZigBee网络组成 ZigBee网络的协议的框架结构 ZigBee路由协议
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、 低速率、低成本的双向无线通讯技术。
主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各 种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周 期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输 的应用。
00：PAN标识符和地址子域不存在 01：保留 10：表示16位短地址 11：表示64位物理地址
帧首部—控制域
帧控制域结构
(7)源地址模式子域的长度2位，它表示的意义如下：
00： PAN标识符和地址子域不存在 01：保留 10：表示16位短地址 11：“表示64位物理地址
ZigBee采用DSSS技术调制发射，用于多个Baidu Nhomakorabea 线传感器组成网状网络，是一种短距离、低速 率低功耗的无线网络传输技术，
采用DSSS技术调制发射，用于多个无线传感 器组成网状网络，新一代的无线传感器网络将 采用802.15.4(ZigBee)协议。
802.15.4仅仅定义了物理层和MAC层，并不足 以保证不同的设备之间可以对话，于是便有了 ZigBee。
星形拓扑结构
1．星形拓扑结构
星形拓扑结构的网络由一个协调器节点和若干从设 备节点组成。协调器负责网络的建立维护和数据转 发，从设备只能和协调器进行直接数据传输，而与 其他终端设备之间数据传输必须经过网络协调器转 发。从设备可以是FFD也可以是RFD。星形结构通 常用于小范围的场合。
星形拓扑结构
精简功能设备(Reduced Function Device，RFD)， 只具有部分功能的精简功能设备。RFD的功能非常 简单，存储容量要求很少，可以用最低端的微控制 器实现，在网络里只能作为终端设备。
ZigBee的网络组成和网络拓扑
------ZigBee网络的设备类型
按照功能分为三类：协调器、路由器和终端设 备。
2.物理层协议规范
物理层协议数据单元结构(PPDU)又称物理层 数据包，是由附加的同步包头、物理层包头和 物理层有效载荷(PSDU)组成，结构如图：
物理层协议数据单元结构
物理层协议数据单元各字段
1．前同步码由32个0组成，接收设备根据接收到的同步 码获取同步信息识别每一位，从而进一步区分出“字 符"。
例如图所示，0节点作为网络协调器，负责建 立网络，1到8节点作为从设备节点接入网络， 这些节点都可以与0节点直接传输数据，而它 们之间的数据传输必须由0节点转发。
树形拓扑结构
树形拓扑结构的网络由一个根节点和若干子节点构成， 这些子节点可以有自己的子节点。
树的根节点是网络的协调器，因此必须是FFD； 既有子节点又有父节点的节点作为路由器，也必须是FFD； 只有父节点而没有子节点的节点叫做叶节点，既可以是FFD
源 PAN 标识符
MHR（MAC层帧头）
0/2/8字节 可变 2字节
源地址 帧载荷 FCS
MAC 载荷
MFR
图 4-12 MAC子层数据帧格式
帧首部—控制域
1．帧控制域帧控制域的长度为16位，其结构 如图：
帧控制域结构 (1)帧类型子域定义了四种帧类型：信标帧(000)、数据帧(001)、确认帧 (010)、命令帧(011)。 (2)安全允许控制子域为1位，该位置1，则对该帧进行加密处理后再传送 到物理层；该位置0，则直接传送到物理层，不进行加密。
2.物理层协议规范—频段
物理层协议规范—频段
868 MHz 物理层 信道 0
915 MHz 物理层
信道 1～10
2 MHz
868.3 MHz 2.4 GHz 物理层
902 MHz 信道 11～26
908 MHz 5 MHz
2.4 GHz
Zigbee频率和信道分布
2.4835 GHz
3. MAC层协议规范
1．信道选择(channel select)； 2．信道能量监测(energy detect)； 3．空闲信道评估(clear channel assessment)： 4．无线信道收发数据(PHY Protocol Data Unit)； 5．接收包链路质量检测；
2.物理层协议规范
ZigBee采用了扩频通信技术，在2．4GHZ频 带上使用偏移正交相移键控调制法(Offset Quadrature Phase Shift Keying，OQPSK)， 而在868／915MHZ频带使用二进制移相键控 调制法(Binary Phase Shift Keying，BPSK)。
帧首部—控制域
帧控制域结构
(3)未处理数据标记子域长度为1位，该位置1，则表 示除该帧数据外，本设备还有应发送给对方的数据， 因此，接收该帧的设备应向本设备再次发送请求数据 命令，直到所有的数据传送完毕。如果发送设备中已 经没有要发送给接收方的数据了，就把该位置0。
帧首部—控制域
帧控制域结构
(4)请求确认子域的长度为1位，该位置l时，接收方接 收到有效帧后应向发送方发送确认帧，该位置0时接 收方不需要发送确认帧。
ZigBee 的MAC层的任务是为两个ZigBee设备 的MAC层实体之间提供可靠的数据链路，处 理所有物理层无线信道的接入。它通过公共部 分子层服务接入点提供数据服务，通过管理实 体服务接入点提供管理服务。 MAC层的主要 功能包括：
MAC层功能
（1）网络协调器产生网络信标； （2）与信标同步； （3）支持个域网链路的建立和断开； （4）为设备的安全提供支持； （5）信道接入当时采用免冲突载波检测多址接
通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并 且支持无限扩展。
ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块 组成的一个无线网络平台，在整个网络范围内， 每一个网络模块之间可以相互通信，每个网络 节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。
与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是， 紫蜂网络主要是为工业现场自动化控制数据传 输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便， 工作可靠，价格低的特点。
（4）安全。ZigBee技术提供了数据完整性检查和鉴权功 能，加密算法采用AES 128/64/32，并且各应用可以 灵活地确定其安全属性，使网络安全能够得到更有效 的保障。
（5）速度快，距离远。 ZigBee工作在20～250kbps的 速率，分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz) 和20kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率 传输数据的应用需求。传输范围一般介于10～100m之 间，在增加发射功率后，亦可增加到1～3km。