第2章 ZigBee简介

2.1由来

Zigbee名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之， ZigBee 就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术，国内通常会翻译成“紫蜂”。
对于Zigbee，它包含了三层含义：首先ZigBee是一种协议，它是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个人局域网协议；其次，也是人们常说的ZigBee技术，根据IEEE802.15.4标准协议规定了ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术；最后，ZigBee还代表了一种微控器，目前市面上用的最多的就是TI公司的CC2530。
现如今对无线通信的需求越来越强烈，经过人们长期努力，Zigbee联盟在2001年成立后，经过几年不懈的努力，在2004年，ZigBee协议1.0正式问世了。

2.2 ZigBee的特点

表1是三种短距离无线通信技术的对比，下面是 Zigbee 特点的详细介绍。

表1短距离无线通信技术对比

低功耗：两节五号电池支持长达 6 个月到 2 年左右的使用时间。
低成本：由于简化了协议栈，降低内核的性能要求，以CC2530为例，内核就是一个增强型的8051内核，从而降低了芯片成本。
低速率：Zigbee 可以提供三种原始数据吞吐率，分别为：250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)、20kbps(868MHz)。
近距离：当然了，“近”是相对的，与蓝牙相比，Zigbee属于低速率远距离数据传输。
可靠性好：采用碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个 Zigbee 网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。
短时延：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。Zigbee、蓝牙和 WIFI 时延对比如表 2 所示。
表 2 Zigbee、蓝牙和 WIFI 时延对比表

网络容量大：Zigbee 可采用星状、网状和网状网络结构，不同的网络拓扑对应于不同的应用领域，在 ZigBee无线网络中，不同的网络拓扑结构对网络节点的配置也不同，网络节点的类型：协调器(Coordinator)、路由(Router)、终端(EndDevice)，具体配置根据需要决定，具体内容会在后面章节中进行讲解，在此，读者只需要对网络拓扑结构有个概念性的认识即可，如图 1所示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。

图1 Zigbee 网络拓扑架构
安全性高：Zigbee 提供数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的 AES-128。
高保密性：ZigBee芯片每块芯片都有64位出厂编号和支持 AES-128 加密。

2.3 ZigBee无线网络通信信道分析

天线对于无线通信系统来说至关重要，在日常生活中可以看到各式各样的天线，如手机天线、电视接收天线等，天线的主要功能可以概括为:完成无线电波的发射与接收。发射时，把高频电流转换为电磁波发射出去；接收时，将电磁波转换为高频电流。
如何区分不同的电波呢？
一般情况，不同的电波具有不同的频谱，无线通信系统的频谱有几十兆赫兹到几千兆赫兹， 包括了收音机、手机、卫星电视等使用的波段，这些电波都使用空气作为传输介质来传播，为了防止不同的应用之间相互干扰，就需要对无线通信系统的通信信道进行必要的管理。
各个国家都有自己的无线管理结构，如美国的联邦通信委员会（ FCC）、 欧洲的典型标准委员会（ ETSI）。我国的无线电管理机构为中国无线电管理委员会，其主要职责是负责无线电频率的划分、分配与指配、卫星轨道位置协调和管理、无线电监测、检测、干扰查处，协调处理电磁干扰事宜和维护空中电波秩序等。
一般情况，使用某一特定的频段需要得到无限电管理部门的许可，当然，各国的无线电管理部门也规定了一部分频段是对公众开放的，不需要许可使用， 以满足不同的应用需求，这些频段包括 ISM（Industrial、 Scientific and Medical——工业、科学和医疗频带。除了 ISM 频带外，在我国，低于135KHz， 在北美、日本等地，低于400KHz的频带也是免费频段。各国对无线电频谱的管理不仅规定了ISM 频带的频率， 同时也规定了在这些频带上所使用的发射功率， 在项目开发过程中， 需要查阅相关的手册， 如我国信息产业部发布的《 微功率（ 短距离） 无线电设备管理规定》。IEEE 802.15.4（ ZigBee） 工作在 ISM 频带， 定义了两个频段， 2.4GHz 频段和896/915MHz 频带。 在 IEEE 802.15.4 中共规定了 27 个信道：
在 2.4GHz 频段，共有16个信道，信道通信速率为 250kbps；
在 915MHz 频段，共有10个信道，信道通信速率为 40kbps；
在 896MHz 频段，有1个信道，信道通信速率为 20kbps。

图2 ZigBee 无线网络通信信道

图3

2.4 ZigBee的应用

Zigbee 应用领域如图所示，当然这些所谓的应用领域在目前还没有得到成功的应用，所以说，Zigbee 在国内乃至国外都是出于一个发展前期。

图4 Zigbee 应用领域
Zigbee 并不是用来已经存在的标准竞争，它的目标定位于现存的系统还不能满足其需求的特定的市场，它有着广阔的应用前景。Zigbee 联盟预言在未来的四到五年，每个家庭将拥有 50 个 Zigbee 器件，最后将达到每个家庭 150 个。