ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的双向无线通信技术，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的。作为目前近距离无线通信的主要技术之一，ZigBee技术在3C领域、家庭智能控制、医疗电子、智能交通和工业控制等领域发挥了巨大的作用。

1.ZigBee概述

ZigBee是一种低功耗的近距离无线组网技术，其有效传输距离从几米到几十米，是IEEE 802委员会制定的适合无线控制和自动化应用的较低速率的WPAN技术之一，遵循IEEE 802.11.4标准。ZigBee的核心协议由IEEE 802.15.4工作组制定，高层应用、互联互通测试和市场推广由ZigBee联盟负责。ZigBee联盟是由多个半导体生产商、技术提供者、技术集成商以及最终使用者组成，主要成员包括英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司和荷兰飞利浦半导体公司等。ZigBee联盟是一个非盈利性业界组织，旨在通过为电子产品加入无线网络功能，为消费者提供更好的服务。

ZigBee相较于其他无线传输技术，主要性能见表2.5，最大特点就是低功耗和低成本，被业界认为是最有可能应用在工业控制场合的无线方式，另外它可以与254个节点联网，在物流环境监测、工业监控、家庭应用和智能交通领域有很大的应用空间。

表2.5 无线传输技术性能比较

具体地，ZigBee具备以下的技术特点：

1）低功耗。ZigBee传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式来降低功耗。据估算，ZigBee仅靠2节5号电池就可以维持长达6个月到2年的使用时间，对于某些占空比[工作时间/（工作时间+休眠时间）]小于1%的应用，电池寿命甚至可达10年，这是其他无线设备所不能比拟的。

2）低成本。ZigBee不仅免专利费而且ZigBee模块的初始成本也比较低。

3）短时延。通信时延和从休眠激活的时延都非常短，设备搜索时延一般为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms，相对于蓝牙需要3～10s、Wi-Fi需要3s的接入时延更具有优势。

4）网络容量大。一个ZigBee的网络最多可以容纳254个从属设备和一个主控设备，而且组网方式灵活。

5）数据传输可靠。ZigBee的介质访问控制层采用“talk-when-ready”的碰撞避免机制，每个发送的数据报都必须等待接收方的确认消息，出现问题采取重发机制。

6）高安全性。ZigBee提供了基于循环冗余检验（CRC）的数据报完整性检查功能和鉴权功能，在传输中采用高级加密标准（Advanced Encryption Standard，AES）算法，确保数据的安全性。(www.daowen.com)

2.ZigBee协议栈

ZigBee技术核心是运行于微控制器内部的一套软件，也称之为ZigBee协议栈。ZigBee协议栈按照OSI参考模型来建立，采用分层结构，每一层为上层提供一系列服务。数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接入点（Service Access Point，SAP）为上层提供一个接口，每个SAP都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能，具体如图2.9所示。

图2.9 ZigBee协议栈模型

（1）物理层

物理层（PHY）利用物理介质为数据链路层提供物理连接，并处理数据传输率以便透明的传送比特流。IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层，都基于直接序列扩频技术（DSSS），使用相同的物理数据报格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。

（2）介质访问控制层

介质访问控制（MAC）层的核心是信道接入技术，包括时分复用GTS技术和随机接入信道技术CSMA/CA。ZigBee/IEEE802.15.4网络所有节点工作在同一个信道上，因此如果邻近的节点同时发送数据就有可能发生冲突。为此MAC层采用了CSMA/CA的技术，在MAC层当中还规定了两种信道接入模式，一种是信标（Beacon）模式，另一种是非信标模式。在信标模式当中由于有了周期性的信标，整个网络的所有节点都能进行同步，但这种同步网络的规模不会很大。而非信标模式则比较灵活，节点均以竞争方式接入信道，不需要周期性的发送信标帧。在ZigBee当中用得更多的可能是非信标模式。MAC子层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务（MACLayerManagementEntity，MLME）。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议相关信息的数据库。

（3）网络层

网络层（NWK）主要实现节点加入、离开、路由查找和传送数据等功能。目前ZigBee网络层主要支持两种路由算法即树路由和网状网路由。支持星形、树形、网格等多种拓扑结构。在这些拓扑结构中一般包括三种设备：协调器、路由器和末端节点。

（4）应用层

Zigbee应用层包括应用支持子层（APS）、应用框架（AF）和Zigbee设备对象（ZDO）。它们共同为各应用开发者提供统一的接口，规定了与应用相关的功能，如端点（Endpoint）的规定，绑定、服务发现和设备发现等。