基于ZigBee技術的無線通信淺析

丁國明

摘要：ZigBee技術是一種短距離、低功耗、低成本的短距離無線通信技術，可嵌入到各類控制裝置、傳感器、消費性電子設備中，支持小范圍內基于無線通信的控制和自動化，現被廣泛應用到工業、農業、醫學、交通、家居、消費等領域。該文基于對ZigBee技術特點和ZigBee協議架構介紹，分析ZigBee技術在無線通信中的應用。

關鍵詞：ZigBee技術;無線通信;應用

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）27-0022-02

Abstract：ZigBee technology is a short-range， low-power and low-cost wireless communication technology，it can be embedded in various control devices，sensors，consumer electronic devices， toys，support a small range of wireless communication based control and automation.Its widely used in industry， agriculture， medicine，transportation， household， consumption and other fields.Based on the introduction of ZigBee technology features and ZigBee protocol architecture， this paper analyzes the application of ZigBee technology in wireless communication。

Key words： ZigBee technology; wireless communication; application

ZigBee技術是一種基于IEE802.15.5協議，低功耗實現短距離信息傳輸的無線通技術。ZigBee技術具有時延短、成本低、功耗低、數據傳輸可靠性高、安全性高、兼容性高、安全性高等特點。因此在市場上被廣泛應用。

1 ZigBee協議的整體架構

ZigBee協議遵循IEEE802.15.4協議棧結構，從下至上包括物理層、MAC層、網絡層、應用層四個層次，每個層完成其相應的工作任務，并未協議棧的上一層提供服務。

1）物理層規范

物理層是ZigBee技術的物理連接層，其主要的工作內容包括：管理數據傳輸和架空數據出錯率，從而使得物理層之上的MAC、網絡和應用層對ZigBee技術中的比特流傳輸透明。

具體而言，物理層規范的工作包括如下幾個方面：

（1）啟動和關閉RF數據收發器;

（2）選擇通信信道頻率;

（3）對網絡中的信道能量進行監測;

（4）為CSMA/CA信道競爭策略提供空閑信道的評估結果;

（5）對所接受的數據進行質量指示;

（6）接受和發送網絡中傳輸的數據包。

在ZigBee技術中，定義了2.6GHz、916MHz、868MHz三個物理層數據包格式君基于直接序列擴頻的頻道，三個頻道的區別主要在于工作頻率、調制技術和傳輸速率。其中，2.6GHz是全球統一頻段，915MHz是美國國內選用的頻段，868MHz是歐中所選用的頻段。

2）MAC層規范

MAC層規范煙用CSMA/CA技術，以保證數據安全性，和實現ZigBee技術與其他網絡通信技術的兼容，方便ZigBee通信技術與其他網絡的結合。

具體而言， MAC層主要實現如下幾個方面的內容：

（1）產生并發送信標幀，以保證雙方通信;

（2）為ZigBee技術提供時隙保障;

（3）實現通信雙方的同步;

（4）支持設備的安全性;

（5）通過CSMA/CA競爭機制，實現多用戶的物理通信共享;

（6）支持PAN網絡的關聯和取消。

總之，MAC層的重要作用就是為通信雙方提供一條可靠的數據鏈路。MAC層為ZigBee協議棧的上一層提供的服務支持包括管理服務和數據服務兩類，其中管理服務是對MAC層協議相關信息進行存儲和管理;而數據服務用以保證MAC層為上一層提供的數據準確性。

3）網絡層規范

ZigBee技術的網絡層包含了ZigBee網絡中的鄰居設備節點，其主要實現ZigBee網絡的連接和通斷機制，網路設備的發現、轉交和維護，以及提供網絡安全機制。

具體而言，網絡層協議的主要實現如下幾個方面的內容：

（1）在網絡構建時，加入協調器，建立ZigBee通信網絡，并實現新設備參數配置;

（2）發現和記錄網絡鄰居節點;

（3）支持新ZigBee通信節點的動態接入，并為其動態分配網絡地址;

（4）提供ZigBee通信節點與ZigBee網絡的連接或斷開功能;

（5）設置接收器的接收時間和狀態，以確保MAC層數據的接收和同步正常;

（6）在接收數據時，網絡對MAC層提供的數據包進行解析，獲取網絡傳輸數據包的數據部分;

（7）提供數據包路由功能，若ZigBee節點接收到的數據為數據包傳輸的目標節點，則接收數據包，并對數據包進行處理;否則根據網絡層的鄰居節點信息表，進行網絡數據包的轉發。

網絡層為應用層提供數據傳輸服務和網絡管理服務，連接了ZigBee的MAC層和應用層之間。

4）ZigBee應用層規范

ZigBee應用層分為設備、應用框架和應用支持三個子層， 三個子層一起為基于ZigBee通信的各種應用軟件提供數據傳輸接口。

（1）ZigBee設備對象

設備對位于應用框架子層與應用支撐子層之間，為應用支持子層、應用對象提供統一的通信接口。ZigBee設別對象所提供的功能包括如下幾個方面。

① 安全服務的提供者、對網絡層和應用層的初始化操作。

② 在無信標的網絡中，新加入的節點只可對其父節點可見，而其他的節點可以通過網絡發現來發現新加入的節點。

③ 實現網絡的管理和維護。

④ 創建和傳輸安全密鑰，完成安全授權。

⑤ 對于路由器和協調器，提供綁定信息、獲取路由、網絡監控等節點管理功能。

⑥ 綁定功能的管理，確定綁定表的大小，以及發起和解除綁定。

（2）應用框架

應用框架為ZigBee網絡中的設備提供了活動的環境，并且為每一個設備提供MSG服務和KVP服務。

（3）應用支持子層

應用支持子層是應用層與網絡層之間的接口，其功能包括：

①應用層數據單元的處理。

②提供網絡中兩個或者兩個以上應用實體之間的數據通信。

③維護管理對象數據庫，為應用對象提供多種對象管理數據庫。

2 總結

ZigBee技術具備無線快速組網、性能良好、功耗較低等優點，同時具備不需要布線、硬件成本以及具有較高的靈活性和可擴展性的強大優勢，基于ZigBee技術建立的無線通信網絡能夠很好的滿足工業、農業、交通、醫學、家居與消費等領域的需求，對無線通信的研究和推廣具有理論和現實意義。

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