1. 介绍

ZigBee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
ZigBee建立在IEEE 802.15.4标准（定义了PHY和MAC层）之上，ZigBee联盟对其网络层和应用层进行了标准化

ZigBee协议栈可分为五层

- 物理层（PHY）
- 介质访问控制层（MAC）
- 网络层（NWK）
- 应用程序支持子层（APS）
- 应用层（APL）

2.特点 

1、低功耗。

在低耗电待机模式下,2 节5 号干电池可支持1个节点工作6～24个月,甚至更长。这是Zigbee的突出优势。相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。

2、低成本。

通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10) ,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以8051的8位微控制器测算,全功能的主节点需要32KB代码,子功能节点少至4KB代码,而且Zigbee免协议专利费。每块芯片的价格大约为2 美元。

3、低速率。

Zigbee工作在20～250 kbps的较低速率,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。

4、近距离。

传输范围一般介于10～100 m 之间,在增加RF 发射功率后,亦可增加到1～3 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。

5、短时延。

Zigbee 的响应速度较快,一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ,节点连接进入网络只需30 ms ,进一步节省了电能。相比较,蓝牙需要3～10 s、WiFi 需要3 s。

6、高容量。

Zigbee 可采用星状、片状和网状网络结构,由一个主节点管理若干子节点,最多一个主节点可管理254 个子节点;同时主节点还可由上一层网络节点管理,最多可组成65000 个节点的大网。

7、高安全。

Zigbee 提供了三级安全模式,包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码,以灵活确定其安全属性。

8、免执照频段。

采用直接序列扩频在工业科学医疗( ISM) 频段,2. 4 GHz (全球) 、915 MHz(美国) 和868 MHz(欧洲) 。

3.三种组网结构

ZigBee之所以能在传感器网络等领域应用中被广泛应用，这得益于它强大的组网能力，可以形成星型网、树型网和网状网等三种ZigBee网络，可以根据实际的开发项目需要来选择适合的ZigBee网络结构进行组网，这三种ZigBee网络结构也各有千秋。

星形拓扑

星形拓扑是其三种拓扑结构中最为简单的一个拓扑形式，它包含一个Co-ordinator（中央协调器） 节点和多个End Device（终端）节点。每一个End Device （终端）节点只能和 Co-ordinator （协调器）节点进行链接通信，不能再链接其他End Device （终端）节点。如果需要在两个 End Device （终端）节点之间进行互相的通信必须得通过链接Co-ordinator （协调器）节点才能进行信息的接收、转发。

这种拓扑形式具有一个缺点：节点之间的数据传输途径有且只有一条唯一的路由。Co-ordinator（协调器）节点的状态有可能成为整个网络的影响点。星形网络拓扑实现的组网不需要使用 ZigBee 的网络层协议，因为本身IEEE 802.15.4的协议层就已经是在星形拓扑形式的基础上实现的，但是这增加开发者在应用层更多的工作，包括需要自己进行处理信息的接收、转发等工作。

树形拓扑

树形拓扑包括一个Co-ordinator（协调器）节点以及多个的 Router（路由器） 和 End Device（终端）节点。Co-ordinator （协调器）连接多个Router（路由） 和 End Device（终端）节点， 其子节点的 Router（路由）也可以连接多个Router（路由）和End Device（终端）节点， 通过这样子进行重复的叠加多个层级形成树状网。树形拓扑结构如图：

需要注意的是：

• Co-ordinator （协调器）节点和 Router （路由）节点可以由多个连接的子节点。
• 但End Device（终端）节点不能再连接其他子节点。
• 有同一个父节点（协调器或路由）的节点之间可以称为兄弟节点
• 有同一个祖父节点（协调器或路由）的节点之间可以称为堂兄弟节点

树状拓扑中的通信规则：

• 每一个路由节点都只能和他的父节点和子节点之间进行通信。
• 如果需要从节点与节点之间需要发送数据，那信息就会沿着树的路由往上上传递到最近的一个祖先节点后，再往下传递到目标节点。

树形拓扑的缺点：信息有且只有唯一的一条路由通道。而且信息的传递路由是通过协议栈层进行处理的，整个的通信路由过程对于应用层来说是相对完全透明的。①②③

Mesh拓扑（网状拓扑）

Mesh拓扑包含一个Co-ordinator（协调器）节点和多个Router（路由）节点 和End Device（终端）节点。Mesh网络拓扑形式和树形拓扑大致相同；但是基于树状结构来说，网状网络拓扑是具有更灵活的通信路由规则的拓扑形式，在可能的情况下，路由节点之间是可以进行直接通信的。这种路由机制使得节点间的信息通信变得更加的有效率，而且这也意味当通信时一个路由路径中出现了问题，信息也可以沿着其他的路由自动进行传输。Mesh网状拓扑的示意图如下所示：

MESH 网状网络拓扑结构的网络具有非常强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来进行通信；而且MESH 网状网络拓扑结构还可以组成非常复杂的网络；其组成的网络还具备自组织、自愈的功能；

星型和树型网络都比较适合点对多点且传输距离较近的应用。

4.Zigbee协议栈使用

使用 ZigBee 协议栈进行开发的基本思路可以概括为如下三点：

• 用户对于 ZigBee 无线网络的开发就简化为应用层的 c 语言程序开发，不需要深入研究复杂的 ZigBee 协议栈；
• ZigBee 无线传感器网络中数据采集，只需用户在应用层加入传感器的读取函数即可；
• 如果考虑节能，可以根据数据采集周期进行定时，定时时间到就唤醒 ZigBee 的终端节点，终端节点唤醒后，自动采集传感器数据，然后将数据发送给路由器或者直接发给协调器。