Zigbee協定

ZigBee協定適應無線感測器的低花費、低能量、高容錯性等的要求。ZigBee是基於IEEE802.15.4標準的低功耗區域網路協定。但IEEE僅處理低級MAC層和物理層協定，因此Zigbee聯盟擴展了IEEE，對其網路層協定和API進行了標準化。Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網路技術。主要用於近距離無線連線。它有自己的協定標準，在數千個微小的感測器之間相互協調實現通信。

基本介紹

• 中文名：Zigbee協定
• 基礎是：IEEE 802.15.4
• 主要用於：近距離無線連線
• 性質：網路協定

概念

無線感測器網路節點要進行相互的數據交流就要有相應的無線網路協定(包括MAC層、路由、網路層、套用層等)，傳統的無線協定很難適應無線感測器的低花費、低能量、高容錯性等的要求，這種情況下，ZigBee協定應運而生。Zigbee的基礎是IEEE 802.15.4。但IEEE僅處理低級MAC層和物理層協定，因此Zigbee聯盟擴展了IEEE，對其網路層協定和API進行了標準化。Zigbee是一種新興的短距離、低速率的無線網路技術。主要用於近距離無線連線。它有自己的協定標準，在數千個微小的感測器之間相互協調實現通信。這些感測器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個感測器傳到另一個感測器，所以它們的通信效率非常高。Zigbee是一個由可多到65000個無線數傳模組組成的一個無線數傳網路平台，十分類似現有的移動通信的CDMA網或GSM網，每一個Zigbee網路數傳模組類似行動網路的一個基站，在整個網路範圍內，它們之間可以進行相互通信；每個網路節點間的距離可以從標準的75米，到擴展後的幾百米，甚至幾公里；另外整個Zigbee網路還可以與現有的其它的各種網路連線。通常，符合如下條件之一的套用，就可以考慮採用Zigbee技術做無線傳輸：需要數據採集或監控的網點多；要求傳輸的數據量不大，而要求設備成本低；要求數據傳輸可靠性高，安全性高； 設備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模組；電池供電；地形複雜，監測點多，需要較大的網路覆蓋；現有行動網路的覆蓋盲區；使用現存行動網路進行低數據量傳輸的遙測遙控系統；使用GPS效果差，或成本太高的局部區域移動目標的定位套用。值得注意的是，在已經發布的ZIGBEE V1.0中並沒有規定具體的路由協定，具體協定由協定棧實現。

協定棧

ZigBee堆疊是在IEEE 802.15.4標準基礎上建立的，定義了協定的MAC和PHY層。ZigBee設備應該包括IEEE802.15.4(該標準定義了RF射頻以及與相鄰設備之間的通信)的PHY和MAC層，以及ZigBee堆疊層：網路層(NWK)、套用層和安全服務提供層。圖1給出了這些組件的概況。

堆疊層

每個ZigBee設備都與一個特定模板有關，可能是公共模板或私有模板。這些模板定義了設備的套用環境、設備類型以及用於設備間通信的簇。公共模板可以確保不同供應商的設備在相同套用領域中的互操作性。

設備是由模板定義的，並以套用對象(Application Objects)的形式實現(見圖)。每個套用對象通過一個端點連線到ZigBee堆疊的餘下部分，它們都是器件中可定址的組件。

從套用角度看，通信的本質就是端點到端點的連線(例如，一個帶開關組件的設備與帶一個或多個燈組件的遠端設備進行通信，目的是將這些燈點亮)。

端點之間的通信是通過稱之為簇的數據結構實現的。這些簇是套用對象之間共享信息所需的全部屬性的容器，在特殊套用中使用的簇在模板中有定義。圖2就是設備及其接口的一個例子：

每個接口都能接收(用於輸入)或傳送(用於輸出)簇格式的數據。一共有二個特殊的端點，即端點0和端點255。端點0用於整個ZigBee設備的配置和管理。應用程式可以通過端點0與ZigBee堆疊的其它層通信，從而實現對這些層的初始化和配置。附屬在端點0的對象被稱為ZigBee設備對象(ZD0)。端點255用於向所有端點的廣播。端點241到254是保留端點。

所有端點都使用套用支持子層(APS)提供的服務。APS通過網路層和安全服務提供層與端點相接，並為數據傳送、安全和綁定提供服務，因此能夠適配不同但兼容的設備，比如帶燈的開關。

APS使用網路層(NWK)提供的服務。NWK負責設備到設備的通信，並負責網路中設備初始化所包含的活動、訊息路由和網路發現。套用層可以通過ZigBee設備對象(ZD0)對網路層參數進行配置和訪問。

MAC層

802.15.4MAC層

IEEE 802.15.4標準為低速率無線個人域網(LR-WPAN)定義了OSI模型開始的兩層。PHY層定義了無線射頻應該具備的特徵，它支持二種不同的射頻信號，分別位於2450MHz波段和868/915MHz波段。2450MHz波段射頻可以提供250kbps的數據速率和16個不同的信道。868/915MHz波段中，868MHz支持1個數據速率為20kbps的信道，915MHz支持10個數據速率為40kbps的信道。

MAC層負責相鄰設備間的單跳數據通信。它負責建立與網路的同步，支持關聯和去關聯以及MAC層安全：它能提供二個設備之間的可靠連結。

接入點

關於服務接入點

ZigBee堆疊的不同層與802.15.4 MAC通過服務接入點(SAP)進行通信。SAP是某一特定層提供的服務與上層之間的接口。 ZigBee堆疊的大多數層有兩個接口：數據實體接口和管理實體接口。數據實體接口的目標是向上層提供所需的常規數據服務。管理實體接口的目標是向上層提供訪問內部層參數、配置和管理數據的機制。

安全性

安全機制由安全服務提供層提供。然而值得注意的是，系統的整體安全性是在模板級定義的，這意味著模板應該定義某一特定網路中應該實現何種類型的安全。

每一層(MAC、網路或套用層)都能被保護，為了降低存儲要求，它們可以分享安全鑰匙。SSP是通過ZD0進行初始化和配置的，要求實現高級加密標準(AES)。ZigBee規範定義了信任中心的用途。信任中心是在網路中分配安全鑰匙的一種令人信任的設備。

堆疊容量

根據ZigBee堆疊規定的所有功能和支持，我們很容易推測ZigBee堆疊實現需要用到設備中的大量存儲器資源。

設備

ZigBee規範定義了三種類型的設備，每種都有自己的功能要求：ZigBee協調器是啟動和配置網路的一種設備。協調器可以保持間接定址用的綁定表格，支持關聯，同時還能設計信任中心和執行其它活動。一個ZigBee網路只允許有一個ZigBee協調器。

ZigBee路由器是一種支持關聯的設備，能夠將訊息轉發到其它設備。ZigBee格線或樹型網路可以有多個ZigBee路由器。ZigBee星型網路不支持ZigBee路由器。

ZigBee終端設備可以執行它的相關功能，並使用ZigBee網路到達其它需要與其通信的設備。它的存儲器容量要求最少。

然而需要特別注意的是，網路的特定架構會戲劇性地影響設備所需的資源。NWK支持的網路拓撲有星型、樹型和格線型。在這幾種網路拓撲中，星型網路對資源的要求最低。