ZigBee无线技术
一、ZigBee技术简介
家庭和工业上的很多场景都需要大量使用无线控制和监控，这些需求往往需要较低的数据传输速率、较长的电池寿命以及较低的使用复杂性。为了满足这些要求，IEEE提出了一种无线标准IEEE802.15.4，这种技术也被称为ZigBee。ZigBee是一种用于短距离、低数据速率的无线通信协议，它有三个工作频段，在国内主要使用的是2.4GHz频段。ZigBee有如下特点：(1)低功耗；(2)提供完整的无线网状网络；(3)单个网络最多能将65000多个设备连接起来；(4)易于部署；(5)经济，价格便宜；(6)使用比其他无线技术更小的数据包。
二、ZigBee网络拓扑结构
ZigBee标准规定了精简型和全功能型这两种设备类型。前者功能有限，而后者拥有所有功能，后者也可以配置为任意功能设备。精简功能型设备在网络中只能与全功能型设备通信，而全功能型设备能与任意设备通信。精简功能型设备用于完成比较简单的工作，例如负责开启或关闭功能的开关，精简功能型设备的存储器大小和处理能力通常不如全功能型设备。
ZigBee标准规定：在ZigBee网络中有路由器、协调器和终端设备这三种功能设备。作为网络中的核心设备，协调器是一个全功能型设备，它构成了网络的根，通过它可以连接到其他网络。每个ZigBee网络中只有一个协调器，ZigBee网络最初由协调器创建，它存储有关网络的信息，并充当安全密钥的存储库。在ZigBee网络中路由器路由来自其他设备的数据，路由是对数据被转发到目的地设备的路径的处理。ZigBee终端设备可以与协调器或路由器连接以加入网络，但不能中继数据，这种特性使得终端设备节点可以在大部分时间里处于非活动状态，从而延长电池寿命。
如图3-1所示，由不同功能设备组成的ZigBee网络可以有星形、树型和网状这三种拓扑结构，其中树型、网状网络属于对等网络。
在树型网络中，协调器充当树的根，路由器或终端设备可以连接到协调器，并且可以像一棵树一样进行扩展。终端设备不能拥有子节点，因其不能中继信息。这种拓扑结构允许网络中有多个级别的节点，终端设备可不用依靠协调器而直接通过路由器加入网络，所有的消息都可以通过路由发送到其他任意设备。这种类型的拓扑结构是ZigBee设备与网络中的其他设备通信最可靠的一种。
星型网络以协调器为中心，多个终端设备直接连接到协调器，是最简单的网络。使用这种结构时，终端设备只能与协调器直接通信，两个终端设备之间的通信需协调器转发消息，协调器充当了路由器的功能。因此，星型网络中经过协调器的数据流量较大，网络节点越多，整个网络的通信效率越低下。
网状拓扑结构是最为灵活且应用范围最广泛的拓扑结构。在网状网络中，它允许网络种搜索消息的备用路径，消息从起点到目的地有多条路径可以选择。因此，在网状网络中消息传输非常可靠并且时延很低。
无论使用哪种结构，ZigBee网络都是由唯一的PAN(PersonalAreaNetwork，个域网)协调器所创建。该协调器管理整个网络，并负责如下工作：(1)启动、终止或路由整个网络的消息；(2)分配16位或64位网络地址给之后加入网络中的设备；(3)生成该网络对应的PAN标识符(PANID)，每个PANID对应一个不同的ZigBee网络，PANID允许网络中的设备使用16位短地址与整个网络中的其他设备通信。PAN协调器一般都具有较长的活跃期，因此通常使用市电电源供电，其他设备通常由电池供电。最小的ZigBee网络只包含一个终端设备和一个PAN协调器。
三、ZigBee协议栈
由图3-2中可知，ZigBee协议栈的结构有四层，其中物理层和媒体访问控制层由IEEE802.15.4标准定义，网络层以及应用层则由ZigBee联盟定义。
3.1应用层
ZigBee的APL层包含三个部分：应用程序支持子层(APS)、应用程序框架(AF)以及ZigBee设备对象(ZDO)。APS提供网络层与应用层之间的接口，主要功能为：(1)维持绑定表；(2)在绑定设备之间传送消息；(3)管理组地址。AF是托管应用对象以控制和管理应用层的环境。应用对象由制造商开发，可为设备定制应用，具有唯一标识的端点号(端点1到端点240)，单个设备最多拥有240个应用程序对象。ZigBee设备对象是APS与AF之间的接口。ZDO负责初始化APS、网络层和安全服务规范，主要功能为：(1)定义设备在网络中的角色：协调器、路由器或终端设备；(2)发现网络上的设备与应用，启动或相应绑定请求；(3)执行相关安全任务。
3.2网络层
网络层负责管理网络的形成、加入、离开与路由维护。网络层也支持管理服务和数据服务，数据由相应的数据实体负责传输，可通过网络层数据实体服务访问点访问。管理服务则由相应的管理实体负责，可以通过该层的管理实体服务访问点为应用层提供网络层管理服务。
由协调器的网络层创建ZigBee网络，并将网络地址分配给其后加入网络的设备。每一帧数据在网络中传输的距离(跳数)由网络层规定。协调器在网络层可启用安全功能——使用128位AES加密密钥对网络数据加密，新加入到该协调器创建的网络的设备只有在分发到密钥后才可以在该网络上与其他设备通信。
总的来说，网络层负责以下功能：(1)加入或离开网络；(2)提供AES加密；(3)发现和维护设备之间的路由；(4)路由功能，终端设备除外；(5)将设备配置为不同功能设备：协调器、路由器或终端设备；(6)发现周围不需要路由即可通信的邻居并维护邻居表；(7)分配地址给新加入网络的设备，只适用于协调器和路由器。
3.3MAC层
在MAC层中由MAC管理对象负责MAC层管理服务，MAC层通过MAC管理对象访问点给网络层提供服务接口。MAC层规定了四种类型的帧：MAC命令帧、应答帧、数据帧和信标帧。其中，信标帧为协调器发送的信标，用于将同一网络中所有设备同步到信标。数据帧被用于发送有效数据，应答帧用于确认数据帧的接收，MAC命令帧则专用于发送MAC命令。
MAC层使用了特殊的信道接入机制以支持多个设备使用同一信道互相通信，即利用冲突避免的载波侦听多路访问(CSMA-CA)。在CSMA-CA中，设备发送消息前会在信道上侦听以确保信道为空闲状态。如果信道被占用，它会取消发送并在一段随机时间后重试，直到达到最大重试次数或该信道变为空闲状态。
MAC层主要功能为：(1)提供本层安全功能；(2)管理信道接入；(3)采用CSMA-CA信道访问；(4)将设备与信标同步(在使用信标的网络)；(5)生成信标(仅适用于协调器)；(6)在网络中提供解除关联和关联功能；(7)在对等设备之间建立可靠的链路。
3.4物理层
物理层为协议栈最低层，该层与硬件最为接近。物理层的主要功能包括：直接传输数据；选择通信频道；对信道侦听以判断是否为空闲状态；对信号能量进行检测；控制无线收发机的开关；对链路质量进行检测；数据调制和解调。物理层同样提供管理服务和数据服务。管理服务是通过数据库管理该层相关数据；数据服务是与其他ZigBee设备通信时封装并发送数据包或接收并解析数据包。
四、ZigBee数据传输方式
ZigBee设备有竞争或无竞争两种方式使用信道。在竞争方式中，网络中所有设备都使用CSMA-CA机制发送消息，第一个找到空闲信道的先传输数据。而在无竞争方式中，PAN协调器为其他设备分配发送消息的时间，即保证时隙。设备在保证时隙内不需要侦听信道空闲状态即可发送数据。协调器通过信标来保持网络中设备的同步，从而提供保证时隙。在IEEE802.15.4中数据传输有三种方式：(1)从对等设备到对等设备；(2)从设备到协调器；(3)从协调器到设备。
4.1对等设备之间传输数据
在对等网络中所有设备通常是同步的，任何设备之间都可以通信。在网状网络中，数据从发送端到接收端有多条可选路线，如果因环境变化不能使用原先路线，网络中的设备通过协作寻找备选路线。这种动态创建和修改路由的能力增加了数据传输的可靠性。
4.2数据发送到协调器
在启用信标的网络中，设备通过信标定期同步其时钟。若不在保证时隙内，设备使用CSMA-CA方法将数据发送到协调器，该时序图如图3-3(a)所示。图3-3(b)显示了在未启用信标的网络中数据被发送到协调器的过程，设备一旦检测到信道空闲就会发送数据。只有在设备需要时，协调器才会回复确认消息以表示收到数据。
4.3从协调器发送数据
图3-4(a)说明了在启用信标的网络中将数据从协调器发送到接收设备的过程。首先，协调器会在信标中提醒接收设备有数据需要传输，收到信标后接收设备向协调器发送数据请求，表明准备接收数据。协调器收到数据请求消息后回复确认并将数据发送到目标设备，接收设备收到数据时根据需要回复确认。
在不支持信标的网络中，协调器会缓存数据等待接收设备主动请求数据。如果协调器没有数据缓存，则发送具有特定格式的确认回复或者零长度有效载荷的数据消息，表示没有数据需要发送。
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