淺談ZigBee協(xié)議架構(gòu)

鄭昕 王成皇 陳德旭

【摘 要】ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的重要技術(shù)。本文主要對(duì)ZigBee技術(shù)的協(xié)議架構(gòu)進(jìn)行介紹。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee

ZigBee是由IEE802.15.4小組與ZigBee聯(lián)盟共同開(kāi)發(fā)的一種基于IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)、介于無(wú)線(xiàn)標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)，主要應(yīng)用于近距離無(wú)線(xiàn)連接。目前已經(jīng)在消費(fèi)電子、樓宇自動(dòng)化、醫(yī)療、工業(yè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

一、ZigBee技術(shù)特點(diǎn)

ZigBee是一種無(wú)線(xiàn)連接，可工作在2.4GHz（全球通用）、868MHz（歐洲標(biāo)準(zhǔn)）和915MHz（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）三個(gè)頻段上，相比藍(lán)牙、Wifi等技術(shù)，ZigBee在技術(shù)上主要存在以下特點(diǎn)：

1、低功耗

ZigBee的傳輸速率較低，而且采用了休眠模式，發(fā)射功率只有1mW左右，所以ZigBee設(shè)備的功耗非常低。

2、低成本

通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議，降低了對(duì)通信控制器的要求，并且ZigBee協(xié)議免協(xié)議專(zhuān)利費(fèi)，這樣就使得每塊芯片的成本降低到了1美元左右。

3、時(shí)延短

通信時(shí)延和喚醒時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，喚醒時(shí)延為15ms，非常適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的工業(yè)控制領(lǐng)域。

4、大容量

一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

5、安全性高

提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)能力，采用AES-128加密算法，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

二、ZigBee的協(xié)議架構(gòu)

ZigBee協(xié)議棧由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。其中網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)，IEEE制定了物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。

1、物理層

IEEE802.15.4提供了兩種物理層選擇（868/915MHz和2.4GHz），兩種物理層都采用直接序列擴(kuò)頻（DSSS）技術(shù)，降低了數(shù)字集成電路的成本，并且都是用相同的幀結(jié)構(gòu)，以便于設(shè)備低作業(yè)周期、低功耗的運(yùn)作。

2.4GHz物理層采用基于DSSS方法的準(zhǔn)正交調(diào)制技術(shù)。來(lái)自物理層的收斂協(xié)議數(shù)據(jù)單元的二進(jìn)制數(shù)據(jù)被依次組成4為二進(jìn)制數(shù)據(jù)符號(hào)，每種數(shù)據(jù)符號(hào)被映射成32位偽噪聲碼片以便于傳輸。而后采用最小移位鍵控方式對(duì)這個(gè)連續(xù)的偽噪聲碼片序列進(jìn)行調(diào)制。采用這種調(diào)制方式，物理層的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到250kbps。

868/915MHz物理層則使用了較為簡(jiǎn)單的DSSS方法，每個(gè)收斂協(xié)議數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)傳輸位被最大長(zhǎng)為15的碼片序列所擴(kuò)展，數(shù)據(jù)傳輸速率為20kbps、40kbps。盡管數(shù)據(jù)傳輸速率有所降低，卻換取了較好的靈敏度和較大的覆蓋面積，降低了系統(tǒng)成本。

2、數(shù)據(jù)鏈路層

IEEE802系列標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)鏈路層分成了LLC和MAC兩個(gè)子層。IEEE802.15.4的MAC子層協(xié)議主要完成以下功能：設(shè)備間無(wú)線(xiàn)鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束；確認(rèn)模式的幀傳送與接收；信道接入控制；幀校驗(yàn)；預(yù)留時(shí)隙管理和廣播信息管理。LLC子層則主要完成傳輸可靠性保障和控制、數(shù)據(jù)包的分段與重組以及數(shù)據(jù)包的順序傳輸?shù)裙δ堋?/p>

MAC子層定義了廣播幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和MAC命令幀四中幀類(lèi)型。只有廣播幀和數(shù)據(jù)幀包含了高層控制命令或者數(shù)據(jù)，確認(rèn)幀和MAC命令幀則用于ZigBee設(shè)備間MAC底層功能實(shí)體間控制信息的收發(fā)。在傳輸過(guò)程中，數(shù)據(jù)幀和MAC命令幀的幀頭包含幀控制域，指示收到的幀是否需要確認(rèn)。如果需要確認(rèn)，并且已經(jīng)通過(guò)了CRC校驗(yàn)，接收方將立即發(fā)出確認(rèn)幀。若發(fā)送方在一定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到確認(rèn)幀，就會(huì)自動(dòng)重傳該幀。為了提高數(shù)據(jù)傳輸，ZigBee還采用了載波偵聽(tīng)多址/沖突避免（CSMA/CA）的信道接入方式和完全握手協(xié)議。

3、網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層為ZigBee協(xié)議棧的核心部分，是ZigBee與其他無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的不同之處，主要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)接入或離開(kāi)、網(wǎng)絡(luò)路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的建立和管理，并具有自我組態(tài)與自我修復(fù)功能。

在網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee定義了三種角色，即：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立以及網(wǎng)絡(luò)位置的分配；路由器，負(fù)責(zé)找尋、建立以及修復(fù)信息包的路由路徑，并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)信息包；終端裝置，只能選擇加入他人已經(jīng)形成的網(wǎng)絡(luò)，可以收發(fā)信息，但不能轉(zhuǎn)發(fā)信息。通常，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器由全功能裝置（FFD）實(shí)現(xiàn)，終端裝置由簡(jiǎn)化功能裝置（RFD）實(shí)現(xiàn)。

在組網(wǎng)方式上，ZigBee主要采用如圖2.1所示的三種組網(wǎng)方式：（a）為主從結(jié)構(gòu)的星狀網(wǎng)，由一個(gè)負(fù)責(zé)管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和不超過(guò)65535個(gè)從屬裝置組成；（b）為網(wǎng)狀網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)FFD同時(shí)可作為路由器，根據(jù)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議來(lái)優(yōu)化最短和最可靠的路徑；（c）為樹(shù)狀網(wǎng)，他可以是擴(kuò)展的單個(gè)星狀網(wǎng)或互連多個(gè)星狀網(wǎng)絡(luò)。

4、應(yīng)用層

ZigBee的應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）和制造商制定的應(yīng)用對(duì)象。APS負(fù)責(zé)維護(hù)綁定表，根據(jù)服務(wù)和需求在兩個(gè)綁定的實(shí)體間傳遞信息；ZDO則負(fù)責(zé)定義設(shè)備節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的角色，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)現(xiàn)，決定提供何種應(yīng)用服務(wù)，還負(fù)責(zé)初始化或綁定相應(yīng)請(qǐng)求以及建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的安全關(guān)系。

當(dāng)一個(gè)ZigBee裝置加入到無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)后，ZDO會(huì)發(fā)起一系列初始化動(dòng)作，通過(guò)ASP進(jìn)行裝置搜尋及服務(wù)器找尋，而后根據(jù)事先定義好的描述信息，將與其相關(guān)的裝置或服務(wù)記錄在A(yíng)PS的綁定表中。

三、結(jié)語(yǔ)

ZigBee協(xié)議的誕生源于對(duì)工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)的需求，為了滿(mǎn)足不同的應(yīng)用背景，自2004年第一個(gè)規(guī)范通過(guò)之后，ZigBee聯(lián)盟又先后頒布了ZigBee Home Automation、ZigBee Light Link等多個(gè)應(yīng)用層協(xié)議來(lái)滿(mǎn)足不同的物聯(lián)需求。特別是2016年5月，ZigBee聯(lián)盟推出了ZigBee3.0標(biāo)準(zhǔn)，解決了不同應(yīng)用層協(xié)議之間的互聯(lián)互通問(wèn)題，是的其組網(wǎng)更加便捷統(tǒng)一，大大增加了其應(yīng)用范圍。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 董建.物聯(lián)網(wǎng)與短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[2] 耿萌.ZigBee路由協(xié)議分析與性能評(píng)估[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，26：116-120.

[3] 瞿雷、胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.