ZigBee理論
一、ZigBee定義
1、物聯網定義：
物聯網（The Internet of Things，簡稱IOT）是指通過 各種信息傳感器、射頻識別技術、全球定位系統、紅外感應器、激光掃描器等各種裝置與技術，實時採集任何需要監控、 連接、互動的物體或過程，採集其聲、光、熱、電、力學、化 學、生物、位置等各種需要的信息，通過各類可能的網絡接入，實現物與物、物與人的泛在連接，實現對物品和過程的智能化感知、識別和管理。物聯網是一個基於互聯網、傳統電信網等的信息承載體，它讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象形成互聯互通的網絡。
2、無線傳感網絡定義：
大規模，無線、自組織、多跳、無分區、無基礎設施支持的網絡。
其中的節點是同構的、成本較低、體積較小，大部分節點不移動，被隨意撒佈在工作區域，要求網絡系統有儘可能長的工作時間。
在通信方式上，雖然可以採用有線、無線、紅外和光等多種形式，但一般認爲短距離的無線低功率通信技術最適合傳感器網絡使用，爲明確起見，一般稱無線傳感器網絡(WSN.Wireless Sensor Network)。
3、ZigBee
ZigBee是IEEE802.15.4協議的代名詞。
根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。
其特點是近距離、低複雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。
主要適合用於自動控制和遠程控制領域，
可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線
組網通訊技術。
那麼我們可以這樣給zigbee 下定義：
ZigBee技術是一種短距離、低複雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網絡技術；
是一組基於IEEE802.15.4無線標準研製開發的組網、安全和應用軟件方面的通信技術；
是一項可用於無線傳感網絡的無線通信技術。
4、協議棧
協議棧是指網絡中各層協議的總和，其形象的反映了一個網絡中文件傳輸的過程：由上層協議到底層協議，再由底層協議到上層協議。
ZigBee協議規範使用了
IEEE 802.15.4定義的物理層（PHY）和媒體介
質訪問層（MAC），並在此基礎上定義了網絡層（NWK）和應用層（APL）架
構。
PHY介紹：PHY是一個操作OSI模型物理層的設備。一個以太網PHY是一個芯片，可以發送和接收以太網的數據幀（frame）。它通常缺乏NIC（網絡接口控制器）芯片所提供的Wake-on-LAN或支持Boot ROM的先進功能。此外，不同於NIC，PHY沒有自己的MAC地址。
MAC（介質訪問控制）：它定義了數據幀怎樣在介質上進行傳輸。在共享同一個帶寬的鏈路中，對連接介質的訪問是“先來先服務”的。物理尋址在此處被定義，邏輯拓撲（信號通過物理拓撲的路徑）也在此處被定義。線路控制、出錯通知（不糾正）、幀的傳遞順序和可選擇的流量控制也在這一子層實現。
NWK：網絡層位於物聯網三層結構中的第二層，其功能爲“傳送”，即通過通信網絡進行信息傳輸。網絡層作爲紐帶連接着感知層和應用層，它由各種私有網絡、互聯網、有線和無線通信網等組成，相當於人的神經中樞系統，負責將感知層獲取的信息，安全可靠地傳輸到應用層，然後根據不同的應用需求進行信息處理。
APL：應用層位於物聯網三層結構中的最頂層，其功能爲“處理”，即通過雲計算平臺進行信息處理。應用層與最低端的感知層一起，是物聯網的顯著特徵和核心所在，應用層可以對感知層採集數據進行計算、處理和知識挖掘，從而實現對物理世界的實時控制、精確管理和科學決策。
二、IEEE 802.15.4標準概述
IEEE 802.15.4是一個低速率無線個人局域網(Low Rate Wireless PersonalArea Networks，LR-WPAN)標準。該標準定義了物理層(PHY)和介質訪問控制層(MAC)。這種低速率無線個人局域網的網絡結構簡單、成本低廉、具有有限的功率和靈活的吞吐量。低速率無線個人局域網的主要目標是實現安裝容易、數據傳輸可靠、短距離通信、極低的成本、合理的電池壽命，並且擁有一個簡單而且靈活的通信網絡協議。
LR-WPAN網絡具有如下特點：
◆ 實現250kb/s，40kb/s，20kb/s三種傳輸速率。
◆ 支持星型或者點對點兩種網絡拓撲結構。
◆ 具有16位短地址或者64位擴展地址。◆ 支持衝突避免載波多路偵聽技術(carrier sense multiple access with
collision avoidance，CSMA-CA)。
◆ 用於可靠傳輸的全應答協議。
◆ 低功耗。
◆ 能量檢測(Energy Detection，ED)。
◆ 鏈路質量指示(Link Quality Indication，LQI)。
◆ 在2450MHz頻帶內定義了16個通道；在915MHz頻帶內定義了10個通道；在
868MHz頻帶內定義了1個通道。
爲了使供應商能夠提供最低可能功耗的設備，IEEE(Institute ofElectrical and
Electronics Engineers，電氣及電子工程師學會)定義了兩種不同類型的設備：
一種是完整功能設備(full．functional device，FFD)，另一種是簡化功能設備
(reduced．functional device，RFD)。
三、ZigBee協議體系結構
1、ZigBee協議棧建立在IEEE 802．15 4的PHY層和MAC子層規範之上。它實現了
網絡層(networklayer，NWK)和應用層(applicationlayer，APL)。在應用層內
提供了應用支持子層(application support sub—layer，APS)和ZigBee設備象(ZigBee Device Object，ZDO)。應用框架中則加入了用戶自定義的應用對象
2、ZigBee的體系結構由稱爲層的各模塊組成。每一層爲其上層提供特定的服務：
即由數據服務實體提供數據傳輸服務；管理實體提供所有的其他管理服務。每個
服務實體通過相應的服務接入點(SAP)爲其上層提供一個接口，每個服務接入點
通過服務原語來完成所對應的功能。ZigBee協議的體系結構如下圖所示：
物理層（PHY）
物理層定義了物理無線信道和MAC 子層之間的接口，提供物理層數據服務和
物理層管理服務。
物理層內容：
1)ZigBee的激活；
2)當前信道的能量檢測；
3)接收鏈路服務質量信息；
4)ZigBee信道接入方式；
5)信道頻率選擇；
6)數據傳輸和接收。
介質接入控制子層（MAC）
MAC層負責處理所有的物理無線信道訪問，併產生網絡信號、同步PAN連接和分離，提供兩個對等MAC實體之間可靠的鏈路。
MAC層功能：
1）網絡協調器產生信標2）與信標同步；
3）支持PAN(個域網)鏈路的建立和斷開；
4）爲設備的安全性提供支持；
5）信道接入方式採用免衝突載波檢測多址接入(CSMA-CA)機制；
6）處理和維護保護時隙(GTS)機制；
7）在兩個對等的MAC實體之間提供一個可靠的通信鏈路。
網絡層（NWK）
ZigBee協議棧的核心部分在網絡層。網絡層主要實現節點加入或離開網絡收或拋棄其他節點、路由查找及傳送數據等功能。
網絡層功能：
1)網絡發現；
2)網絡形成；
3)允許設備連接；
4)路由器初始化；
5)設備同網絡連接；
6)直接將設備同網絡連接7)斷開網絡連接；
8)重新復位設備；
9)接收機同步；
10)信息庫維護。
應用層（APL）
ZigBee應用層框架包括應用支持層(APS)、ZigBee設備對象(ZDO)和製造商所定
義的應用對象。
應用支持層的功能包括：維持綁定表、在綁定的設備之間傳送消息。
ZigBee設備對象的功能包括：定義設備在網絡中的角色(如ZigBee協調器和終端
設備)，發起和響應綁定請求，在網絡設備之間建立安全機制。ZigBee設備對象
還負責發現網絡中的設備，並且決定向他們提供何種應用服務。
ZigBee應用層除了提供一些必要函數以及爲網絡層提供合適的服務接口外，一
個重要的功能是應用者可在這層定義自己的應用對象。
應用程序框架（AF）：
運行在ZigBee協議棧上的應用程序實際上就是廠商自定義的應用對象，並且遵
循規範（profile）運行在端點1~ 240上。在ZigBee應用中，提供2種標準服務
類型：鍵值對（KVP）或報文（MSG）
設備對象（ZDO）：
ZigBee設備對象(ZDO)的功能包括負責定義網絡中設備的角色，如：協調器或
者終端設備。還包括對綁定請求的初始化或者響應，在網絡設備之間建立安全聯
系等。實現這些功能，ZDO使用APS層的APSDE-SAP和網絡層的NLME-SAP。
ZDO是特殊的應用對象，它在端點(entire)0上實現。遠程設備通過ZDO請求述符信息，接收到這些請求時，ZDO會調用配臵對象獲取相應描述符值。