1.1　认识ZigBee无线通信技术

1.1.1　ZigBee简介

ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是短距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据传输速率，主要用于自动控制和远程控制领域。

（1）低功耗：2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。

（2）低成本：通过大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求，另外，ZigBee协议是免费的。

（3）短距离：传输距离为10～100 m，在增加发射功率后，传输距离可增加到1～3 km，这指的是相邻节点间的距离。如果通过中继，传输距离将更大。

（4）短延时：ZigBee网络的响应速度较快，从睡眠状态进入工作状态一般只需15 ms，节点连接ZigBee网络只需30 ms，进一步节省了电能。

（5）高容量：ZigBee网络可采用星状、树状和网状等结构，一个主节点最多可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点来管理，一个ZigBee网络最多可管理65000个节点。

1.1.2　ZigBee网络架构

ZigBee网络作为一种可中继、覆盖范围广泛、接入节点多的无线通信技术，所构建的网络势必会有众多的节点，对这些节点的识别与定位都是ZigBee网络关注的重点。

ZigBee网络采用的方法是设置ZigBee的网络CHANNEL（网络信道号），在相同CHANNEL下通过PANID（网络ID）来区别网络。当一个ZigBee无线节点的CHANNEL和PANID信息与已有的ZigBee网络信息相同时，这个ZigBee无线节点就可以接入已有的ZigBee网络。在ZigBee网络内部，Coordinator（协调器）和Router（路由）节点通过分配的ShortAddr（短地址）来对节点进行定位与识别。在ZigBee网络外部，开发者可以通过每个ZigBee无线节点所携带的全球唯一的MAC地址来对ZigBee无线节点进行识别。

ZigBee网络的基础知识主要包括设备类型、拓扑结构和路由方式三个方面的内容。所有的ZigBee无线节点都可分为Coordinator（协调器）、Router（路由）节点、EndDevice（终端）节点三种类型。节点类型只是网络层的概念，用于反映ZigBee网络的拓扑结构，而ZigBee网络采用任何一种拓扑结构都只是为了实现网络中数据的高效稳定传输，在实际的应用中不必关心ZigBee网络的组织形式。

ZigBee网络作为一种短距离、低功耗、低数据传输速率的无线通信技术，介于无线射频识别（RFID）和BLE之间，在无线传感器网络中的应用非常广泛。这得益于其强大的组网能力，可以形成星状、树状和网状三种拓扑结构，在实践中可以根据实际需要来选择合适的拓扑结构。

（1）星状拓扑。星状拓扑是最简单的拓扑结构，如图1.1所示，包含一个协调器和一系列终端节点。在星状网络中，每一个终端节点只能与协调器进行通信，任意两个终端节点必须通过协调器来进行通信。

星状拓扑的缺点是节点之间的数据路由只有唯一的一条路径，协调器有可能成为整个网络的瓶颈。实现星状拓扑并不需要使用ZigBee网络层协议，因为IEEE 802.15.4的协议层已经实现了星状拓扑，但需要开发者在应用层做更多的工作，包括处理数据的转发。

（2）树状拓扑。树状拓扑如图1.2所示，协调器可以连接路由节点和终端节点，其子节点中的路由节点也可以连接路由节点和终端节点。在多个层级的树状网络中，数据传输具有唯一路径，只可以在父节点与子节点之间进行直接通信，非父子关系的节点只能进行间接通信。

树状网络的通信规则如下：

① 每一个节点都只能与其父节点和子节点进行直接通信。

② 如果一个节点要向另一个节点发送数据，那么数据将沿着树的路径向上传输到最近的祖先节点，再向下传输到目标节点。

树状网络的特点就是数据的传输只有唯一的路径。另外，路由过程是由协议栈层处理的，整个路由过程对于应用层来讲是完全透明的。

（3）网状拓扑。网状拓扑如图1.3所示，当某条路径出现问题时，数据可自动沿其他路径传输。任意两个节点都可相互传输数据，数据可直接传输或在传输过程中经多级路径转发，网络层提供路径探测功能，使得网络层可以找到数据传输的最优路径，不需要应用层参与。ZigBee网络会自动按照ZigBee协议选择最优路径作为数据传输通道，使得网络更稳定，通信更有效率。

通常，在网状网络中，网络层会提供相应的路径探测功能，这一功能可以使得网络层找到数据传输的最优路径。需要注意的是，以上所提到的功能都是由网络层来实现的，无须应用层参与。

采用网状拓扑结构的网络具有强大的功能，可以组成极为复杂的网络，具备自组织、自愈功能。星状网络和树状网络适合多节点、短距离的应用。

1.1.3　ZigBee和物联网

物联网是指利用各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、无线传感器、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等，对现有物体的信息进行感知、采集，通过网络支撑下的可靠传输技术，将各种物体的信息汇入互联网，并基于海量信息资源进行智能决策、安全保障，以及管理与服务的全球公共信息综合服务平台。

以控制和采集设备为主的设备或网络，这一层称为感知层；以数据汇总和将数据通过网络上传至服务器的设备或网络，这一层称为网络层；服务器在系统中虽然没有展现，但在系统中承担着重要的工作，服务器主要承担数据管理和服务的功能，这一层统称为平台层；最终接入网络的方式就是使用移动终端，移动终端可完成对整个物联网的接入，这一层称为应用层。传统的物联网架构也是由这四层构成的，如图1.4所示。

物联网技术广泛应用了无线通信技术，即无线传感器网络技术。无线传感器网络最初是由美国国防部高级研究计划署于1978年提出的，其雏形是由卡内基梅隆大学研究的分布式传感器网络。随着微电机系统、嵌入式系统、微处理器、无线电技术以及存储技术的巨大进步，无线传感器网络也获得了长足的发展。当前，无线传感器网络已在全世界广泛应用，其范围涵盖军用和民用的许多领域。