物联网实战教程：ZigBee技术应用

ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。ZigBee联盟于2005年公布了第一份ZigBee规范“ZigBeeSpecificationV1.0”。Zig-Bee协议规范使用了IEEE802.15.4定义的物理层（PHY）和媒体介质访问层（MAC），并在此基础上定义了网络层（NWK）和应用层（APL）架构。

ZigBee凭借自身具备近距离、自组织、低速率、低成本、低功耗等独特优势，必将成为无线传感网络的最佳选择之一。ZigBee无线传感网络技术优势如下：

1）低速率、自由频段：三个ISM可选工作频段，欧洲采用868MHz频段，速率为20kbit/s；美国选用915MHz频段，速率为40kbit/s；而我国选用2.4GHz频段，速率为250kbit/s，全球通用、免付费、无需申请。

2）网络节点无限扩展：网络层分配地址采用分布式寻址方案，一种64位MAC长地址，由IEEE分配，全球唯一，最多可以容纳65535个节点；另一种是16位网络短地址，由父节点分配，当前网络中唯一，最多可容纳255个节点。

3）短距离、覆盖面广：RF收发天线可采用单端非平衡倒F型PCB天线，室内有障碍空间端到端的通信距离约为10～100m，若附加CC2591距离扩展器模块可增加至1～3km，且满足多节点自组网实现数据多跳传输，满足收发距离要求。

4）低功耗：收发模式均为mW级别，非工作时间为超低功耗休眠模式，普通5号电池的即可长时间连续续航，这是其他无线通信技术望尘莫及的。

5）安全可靠：采用冲突避免载波多路侦听技术（CSMA-CA），避开数据传输的竞争与冲突；模块采用自组网、动态路由的通信方式，保证了数据传输的可靠性；采用全球唯一的64位身份识别，并支持AES-128加密，具有高保密性。

6）时延短：休眠激活时延仅为15ms，设备搜索时延仅为30ms，信道接入时延仅为15ms，保证了数据传输的正确性，进一步降低了设备模块的功耗。

图4-5 ZigBee无线技术应用行业(www.xing528.com)

ZigBee无线传感网络的显著优势使它在工业自动化、远程控制等拥有大量终端节点的设备网络中得到广泛应用，在其他相关领域也得到辐射与普及，例如智能建筑、家庭自动化、社区安防、环境检测、煤气水电抄表等现代化领域，如图4-5所示。

在ZigBee无线传感网络中存在两种物理设备类型：全功能设备（Full Function Device，FFD）和精简功能设备（Re-duced Function Device，RFD），两者相辅相成，紧密配合，共同完成无线传感网络的通信。全功能设备FFD具备的功能特性完整、齐全，支持ZigBee协议标准规范的所有性能特征。FFD可作为协调器节点或路由器节点模块使用，具备控制器的存储、计算能力，实现数据发送、数据接收和路由选择等功能，与任何其他设备节点进行双向无线通信，所以FFD将消耗更多的能量和内存资源；精简功能设备RFD只具备局部特性。RFD只能作为终端设备节点模块使用，只负责终端的数据采集并将其转发至上级FFD节点，只能与FFD节点完成通信，禁止与RFD节点通信，内存资源要求不高。

图4-6 ZigBee网络节点类型分布图

按ZigBee节点模块按组网功能可分为Coordinator、Router和End-Device。ZigBee网络由一个Coordinator以及若干Router和End-Device组成，如图4-6所示。

协调器节点（ZigBee Coordinator，ZC）包含ZigBee网络的所有数据信息，存储容量大，数据处理能力最强；整个网络中具有中唯一性，且必须为全功能设备FFD，负责节点上电、网络启动与配置，选择网络标示符（PAN ID）和通信信道（Channel），建立ZigBee网络，等待新节点入网，并分配16位短地址。

路由器节点（ZigBee Router，ZR）必须是全功能设备FFD，成功入网后，获取16位网络短地址；负责路由发现与选择、路由建立与维护，并允许其他设备节点的入网或离网，可作为远距离通信的数据中转站，实现数据的多跳透传。

终端设备节点（ZigBeeEnd-Device，ZE-D）为精简功能设备RFD或全功能设备FFD，无路由功能，只能加入或离开ZigBee网络，只能与上级父节点实现双向通信，获取或转发相关信息，常处于有睡眠或激活工作模式，超低功耗。