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摘 要： 随着科学技术的不断发展，为满足人们在移动等情况下数据传输的需要，无线通信技术也就日益发展壮大，作为无线通信技术中一种短距离的双向传输的ZigBee技术，由于其特有的优点，越来越受到人们的关注与重视，在介绍ZigBee技术特征的基础上，分析ZigBee协议框架和其网络拓扑结构，为ZigBee技术的使用打下基础。
关键词： 无线通信技术；ZigBee；优点
中图分类号：TP311.13 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1220024－01
1 ZigBee技术特征
ZigBee是一种短距离的双向无线通信技术，同时更是一种价格低廉较为固定而且便携的移动设备使用技术。它的使用性能非常良好，能耗低、操作简单、应用成本也比较低，同时还具有低数据速率这一主要特点，这种技术主要用于远程控制与自动控制领域，还具有地理定位功能，同时这种技术还可以辅助其他设备的功能发挥。
时隙化的载波侦听和冲突避免的信道接入CSMA-CA算法使用在ZigBee中，有效的提高传输数据的可靠性。此外，ZigBee还具有成本低、容量大的特点，一个ZigBee网络最多可包括255个ZigBee网路节点，其中主控设备（Master）通常只有一个，余下的则为从属设备（Slave）。在一些系统中，需要的网络节点可能较多超出255个时则可以通过网络协调器来增加节点个数，此时整个网络网络节点最多可以支持64000多个ZigBee，并且由于各个网络协调器可以互相连接，这就大大增加了整个ZigBee网络节点的数目。
2 ZigBee协议框架
ZigBee比常见的无线通信标准具体实现要求低，协议栈紧凑简单，只要8位处理器再配上4KB ROM和64KB RAM等就可满足其最低需要。
一个完整的ZigBee协议栈通常是由媒体接入层、物理层、应用层组成和网络层组成，其模型如图所示。ZigBee将各层的代码放置于一个独立的源文件中，并且将应用和服务程序接口定义在头文件中。ZigBee联盟负责定义网络层以上的协议，PHY层和MAC层标准则是通过IEEE制定的。应用层包括ZigBee设备终端（ZigBee Device Object，ZDO）和应用支持子层（Application Sub-layer，APS）。用户应用程序总是与应用层（Application Layer，APL）和APS接口，用户应用程序使用APL模块提供管理高级协议栈管理功能，而APS主要为ZigBee提供端口，将不同的应用映射到ZigBee网络上，APS具有多重功能，既可以用于设置安全属性，同时对实现数据流的汇聚具有非常重要的作用。ZigBee的应用程序则是通过该层打开或关闭一个或多个端点，并且发送或者获取数据。
在网络层方面，常常使用的是基于Ad Hoc技术的路由协议，这种方式除了包含拓扑结构的维护与搭建，关联业务和命名，寻址、路由和安全等通用的网络层功能外，还具有自维护和自组织功能，以及最大程度维护成本与减少用户开支。
IEEE 802.15.4的MAC层能支持多种LLC标准，对各种业务上有着一项相关联性的子层进行汇聚（Service-Specific Convergence Sublayer，SSCS）协议承载IEEE 802.2类型的LLC标准，同时也允许其他LLC标准直接使用IEEE 802.15.4的MAC层的服务，通常情况下被应用到通信设备无线链路之间的建立之上。以及设备间线路的维修与结束，通常情况下起到建立通信设备无线链路的作用，同时还可以起到维护链路的作用，对于模式的帧传送以及接收方面的工作也可以实施确认，以及对广播信息、预留时隙进行管理，对信道接入实施有效控制。传感器网络MAC协议为了达到降低能量小号的目地，选用 “侦听/睡眠”二者相互进行交替的信道使用方案。为了确保无线模块处于睡眠状况下的有效数据以及侦听节电不被遗漏，通常需要邻居节点之间对侦听与睡眠的周期二者之间进行有效的协调，避免二者之间同时睡眠或同时唤醒，影响侦听效果。
IEEE 802.15.4定义了2.4GHz物理层和868/915MHz物理层这两个物理层标准，而这两个物理层都基于直接序列扩频，运用一样的物理层数据包格式，不同之处在于两个物理层标准之间存在不同的工作频率，使用的调制技术也存在差异，传输速度以及扩频码长度有所差异。作为全球统一无需申请的ISM频段的2.4GHz波段，其物理层通过采用高阶调制技术就可以提供的传输速率为250kbps，这在一定程度上对能够起到获取更小通信时延的作用、进而实现对用电量的节省。868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段，为了避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰和影响便引入这两个频段的，此外，这两个频段上对无线信号进行传播，对信号的损耗较小，由此可以对接收机的灵敏度的要求予以降低，使得通信距离被进一步延长，进而可以提高设备传输效率的发挥，使设备覆盖给定区域的范围更为广阔。
3 ZigBee的网络拓扑结构
受设备之间所具有的具体通信功能上存在的不同之处，在ZigBee网络中可以划分为全功能设备与简单功能设备两种。FFD与RFD设备之间、FFD设备之间都能够实现通信，RFD主要作用在于实施简单的控制工作，传输的数据的功能较小，数据传输数量有限，此外RFD在占用通信与传输资源上，占用的也不是不多。但是不同设备之间不具备相互直接通信的功能，只能借助于FFD设备通信或通过一个FFD设备向外转发数据。RFD的协调器（coordinator）使得RFD与FFD设备相联。网络协调器则作为网络主控制器的FFD设备，它通常直接参与应用，并且还要完成链路状态信息管理、分组转发和成员身份管理等任务。
ZigBee支持3种网络拓扑，即Star、Mesh和Cluster Tree。Star网络是目前实施长期运行使用操作中最为常见的一种网络，为了达到所有设备都具有与中心设备进行网络协调通信的能力，在进行网络协调器选择是需要对设备使用区域的供电能力进行调查了解，一般状况下要选用能够提供持续稳定的电力能源的供电系统，而此时则可以运用电池对其他设备实施供电。Star网络则比较适合应用在范围较小的室内，如个人健康护理、个人计算机的外设和家庭自动化等。在Mesh网络中，任意两个设备当一方设备接收到另一方设备发出的无线信号时，无需别的什么设备作为中间程序进行转发，便可以进行直接接收通信。Mesh网在进行检测中检测效果非常显著，可以同时为数据传输工作提供多个通道，该网络级别高，冗余大，一但数据传输出现故障，便会出现新的路径可以用于数据通信传输。Cluster Tree网络是Star/Mesh的混合型拓扑结构，将两种拓扑结构中所蕴含的优点进行紧密结合，使得ZigBee更便于应用，而被广泛使用。
参考文献：
[1]李静梅，基于Zigbee技术的体温采集系统的设计[J].应用科技，2010.12.
[2]李晖，Mesh网下AODV、DSR和Zigbee路由的比较分析[J].通信技术，2010.12.
关键词： 无线通信技术；ZigBee；优点
中图分类号：TP311.13 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）1220024－01
1 ZigBee技术特征
ZigBee是一种短距离的双向无线通信技术，同时更是一种价格低廉较为固定而且便携的移动设备使用技术。它的使用性能非常良好，能耗低、操作简单、应用成本也比较低，同时还具有低数据速率这一主要特点，这种技术主要用于远程控制与自动控制领域，还具有地理定位功能，同时这种技术还可以辅助其他设备的功能发挥。
时隙化的载波侦听和冲突避免的信道接入CSMA-CA算法使用在ZigBee中，有效的提高传输数据的可靠性。此外，ZigBee还具有成本低、容量大的特点，一个ZigBee网络最多可包括255个ZigBee网路节点，其中主控设备（Master）通常只有一个，余下的则为从属设备（Slave）。在一些系统中，需要的网络节点可能较多超出255个时则可以通过网络协调器来增加节点个数，此时整个网络网络节点最多可以支持64000多个ZigBee，并且由于各个网络协调器可以互相连接，这就大大增加了整个ZigBee网络节点的数目。
2 ZigBee协议框架
ZigBee比常见的无线通信标准具体实现要求低，协议栈紧凑简单，只要8位处理器再配上4KB ROM和64KB RAM等就可满足其最低需要。
一个完整的ZigBee协议栈通常是由媒体接入层、物理层、应用层组成和网络层组成，其模型如图所示。ZigBee将各层的代码放置于一个独立的源文件中，并且将应用和服务程序接口定义在头文件中。ZigBee联盟负责定义网络层以上的协议，PHY层和MAC层标准则是通过IEEE制定的。应用层包括ZigBee设备终端（ZigBee Device Object，ZDO）和应用支持子层（Application Sub-layer，APS）。用户应用程序总是与应用层（Application Layer，APL）和APS接口，用户应用程序使用APL模块提供管理高级协议栈管理功能，而APS主要为ZigBee提供端口，将不同的应用映射到ZigBee网络上，APS具有多重功能，既可以用于设置安全属性，同时对实现数据流的汇聚具有非常重要的作用。ZigBee的应用程序则是通过该层打开或关闭一个或多个端点，并且发送或者获取数据。
在网络层方面，常常使用的是基于Ad Hoc技术的路由协议，这种方式除了包含拓扑结构的维护与搭建，关联业务和命名，寻址、路由和安全等通用的网络层功能外，还具有自维护和自组织功能，以及最大程度维护成本与减少用户开支。
IEEE 802.15.4的MAC层能支持多种LLC标准，对各种业务上有着一项相关联性的子层进行汇聚（Service-Specific Convergence Sublayer，SSCS）协议承载IEEE 802.2类型的LLC标准，同时也允许其他LLC标准直接使用IEEE 802.15.4的MAC层的服务，通常情况下被应用到通信设备无线链路之间的建立之上。以及设备间线路的维修与结束，通常情况下起到建立通信设备无线链路的作用，同时还可以起到维护链路的作用，对于模式的帧传送以及接收方面的工作也可以实施确认，以及对广播信息、预留时隙进行管理，对信道接入实施有效控制。传感器网络MAC协议为了达到降低能量小号的目地，选用 “侦听/睡眠”二者相互进行交替的信道使用方案。为了确保无线模块处于睡眠状况下的有效数据以及侦听节电不被遗漏，通常需要邻居节点之间对侦听与睡眠的周期二者之间进行有效的协调，避免二者之间同时睡眠或同时唤醒，影响侦听效果。
IEEE 802.15.4定义了2.4GHz物理层和868/915MHz物理层这两个物理层标准，而这两个物理层都基于直接序列扩频，运用一样的物理层数据包格式，不同之处在于两个物理层标准之间存在不同的工作频率，使用的调制技术也存在差异，传输速度以及扩频码长度有所差异。作为全球统一无需申请的ISM频段的2.4GHz波段，其物理层通过采用高阶调制技术就可以提供的传输速率为250kbps，这在一定程度上对能够起到获取更小通信时延的作用、进而实现对用电量的节省。868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段，为了避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰和影响便引入这两个频段的，此外，这两个频段上对无线信号进行传播，对信号的损耗较小，由此可以对接收机的灵敏度的要求予以降低，使得通信距离被进一步延长，进而可以提高设备传输效率的发挥，使设备覆盖给定区域的范围更为广阔。
3 ZigBee的网络拓扑结构
受设备之间所具有的具体通信功能上存在的不同之处，在ZigBee网络中可以划分为全功能设备与简单功能设备两种。FFD与RFD设备之间、FFD设备之间都能够实现通信，RFD主要作用在于实施简单的控制工作，传输的数据的功能较小，数据传输数量有限，此外RFD在占用通信与传输资源上，占用的也不是不多。但是不同设备之间不具备相互直接通信的功能，只能借助于FFD设备通信或通过一个FFD设备向外转发数据。RFD的协调器（coordinator）使得RFD与FFD设备相联。网络协调器则作为网络主控制器的FFD设备，它通常直接参与应用，并且还要完成链路状态信息管理、分组转发和成员身份管理等任务。
ZigBee支持3种网络拓扑，即Star、Mesh和Cluster Tree。Star网络是目前实施长期运行使用操作中最为常见的一种网络，为了达到所有设备都具有与中心设备进行网络协调通信的能力，在进行网络协调器选择是需要对设备使用区域的供电能力进行调查了解，一般状况下要选用能够提供持续稳定的电力能源的供电系统，而此时则可以运用电池对其他设备实施供电。Star网络则比较适合应用在范围较小的室内，如个人健康护理、个人计算机的外设和家庭自动化等。在Mesh网络中，任意两个设备当一方设备接收到另一方设备发出的无线信号时，无需别的什么设备作为中间程序进行转发，便可以进行直接接收通信。Mesh网在进行检测中检测效果非常显著，可以同时为数据传输工作提供多个通道，该网络级别高，冗余大，一但数据传输出现故障，便会出现新的路径可以用于数据通信传输。Cluster Tree网络是Star/Mesh的混合型拓扑结构，将两种拓扑结构中所蕴含的优点进行紧密结合，使得ZigBee更便于应用，而被广泛使用。
参考文献：
[1]李静梅，基于Zigbee技术的体温采集系统的设计[J].应用科技，2010.12.
[2]李晖，Mesh网下AODV、DSR和Zigbee路由的比较分析[J].通信技术，2010.12.