跟着传感器网络的大举运用；跟着物联网概念的迸发；跟着通讯技能的迅速发展，人们提出了在本身邻近几米规模内通讯的要求，这样就呈现了个人区域网络PAN（Personal Area Network）和无线个人区域网络WPAN（Wireless Personal Area Network）的概念。WPAN网络为近间隔规模内的设备树立无线衔接，把几米到几十米规模内的多个设备经过无线方法衔接在一起，使他们能够彼此通讯乃至接入LAN或许Internet。
2001年8月树立的zigbee联盟便是一个针对WPAN网络而树立的工业联盟。该联盟致力于近间隔、低杂乱度、低数据速率、低成本的无线网络技能。他们开发的技能被称为zigbee技能，该技能期望被布置到商用电子、住所及修建自动化、工业设备监测、PC外设、医疗传感设备、玩具以及游戏等其他无线传感和操控范畴傍边。
1.1 IEEE802.15.4规范
zigbee联盟已于2005年6月27日发布了第一份zigbee规范“zigbee SpecificaTIon V1.0”。这规范界说了在IEEE 802.15.4-2003物理层和规范媒体接入操控层上的网络层及支撑的运用服务。zigbee联盟的长时刻方针是能够树立依据互操作渠道和装备文件的可弹性、低成本嵌入式根底架构。
1.1.1 IEEE802.15.4协议结构
IEEE802.15.4规范选用分层结构。每一层为上层供给一系列特别的服务：数据实体供给数据传输服务，办理实体则供给一切其他的服务。一切的服务实体都经过服务接入点SAP（Service Access Point）为上层供给一个接口，每个SAP都支撑必定数量的服务原语来完结所需的功用。
IEEE 802.15.4规范仓库架构是在OSI七层模型的根底上依据商场和运用的实践需求界说了，如图2-1。其间，IEEE 802.15.4规范界说了底层：物理层PHY（Physical Layer）和媒体拜访操控子层MAC（Medium Access Control Sub-Layer）层。zigbee联盟在此根底上界说了网络层NWK（Network Layer），运用层APL（ApplicaTIon Layer）架构。其间运用层包含运用支撑子层APS（ApplicaTIon Support Sub-Layer），运用结构AF（ApplicaTIon Framework），zigbee设备目标ZDO（zigbee Device Objects）以及用户界说运用目标（Manufacturer-Defined Application Objects ）。［16］
IEEE 802.15.4作业在工业科学医疗ISM（Industrial、Scientific and Medical）频段，界说了两个物理层PHY，别离作业在两个频段上：868/915 MHz和2.4GHz。其间低频段物理层掩盖了868MHz的欧洲频段和915MHz的美国与澳大利亚等国的频段。高频段2.4GHz则全球通用。
IEEE 802.15.4 MAC层选用防止抵触多载波信道接入CSMA-CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）方法，首要担任传输信标帧，同步以及供给可信赖的传输机制。
1.1.2 网络节点类型
在W-PAN中有三种网络人物：PAN网络和谐器、和谐器和设备。这三种人物在IEEE 802.15.4规范中别离对应zigbee和谐器ZC（zigbee Coordinator）、zigbee路由器ZR（zigbee Router）和终端设备ZED（zigbee End Device）。
和谐器和路由器只能是全功用器材FFD。一个PAN的网络中，至少要有一个全功用器材成网络的和谐器，它能够看作是一个PAN的网关节点（SINK节点），它是网络树立的起点，担任PAN网络的初始化，确认PAN的ID号和PAN操作的物理信道并统筹短地址分配，充任信赖中心和贮存安全密钥，与其他网络的衔接等。和谐器在参加网络之后取得必定的短地址空间。这个空间内，他有才干答应其他节点参加网络，并分配短地址。当然和谐器还具有路由和数据转发的功用。在任何一个拓扑网络上，一切设备都有一个仅有的64位IEEE长地址，该地址能够在PAN中用于直接通讯。或许当一切设备之间都现已存在衔接时，能够将其转变为16位的网络短地址分配给PAN设备。因而在设备建议衔接时选用的是64位的长地址，只要衔接成功后，体系分配了PAN的标志符后，才干选用16位的短地址来通讯。路由器能够只运转一个寄存有路由协议的精简协议栈，担任网络数据的路由，完结数据中转功用。
在网络中最根本的节点便是终端节点ZED，一个终端节点能够是全功用器材FFD或许是精简功用器材RFD。
1.2.1 IEEE 802.15.4
IEEE802.15.4包含用于低速无线个人域网LR-WPAN的物理层PHY和媒体接入操控层MAC两个规范。图2-4给出了IEEE 802.15.4的分层参阅模型。
1.2.1.1 IEEE 802.15.4 PHY层
物理层的效果首要是运用物理介质为数据链路层供给物理衔接，担任处理数
据传输率并架空数据出错率，以便通明低传送比特流。zigbee协议的物理层首要担任以下使命：
（1）发动和封闭RF收发器。
（2）信道能量检测。
（3）对接纳到的数据报进行链路质量指示LQI（Link Quality Indication）。
（4）为CSMA/CA算法供给闲暇信道评价CCA（Clear Channel Assessment）。
（5）对通讯信道频率进行挑选。
（6）数据包的传输和接纳
IEEE 802.15.4的物理层界说了物理信道和MAC子层间的接口，供给数据服务和物理层办理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，物理层办理服务保护一个物理层相关数据组成的数据库。
1.2.1.2 IEEE 802.15.4 MAC层
IEEE 802.15.4媒体介入操控层的沿用了传统无线局域网中的带抵触防止的载波多路侦听拜访技能CSMA/CA方法，以进步体系的兼容性。这种规划，不光使多种拓扑结构网络的运用变得简略，还能够完结十分有用的功耗办理。
MAC层完结的具体使命如下：
（1）和谐器发生并发送信标帧（Beacon）。
（2）一般设备依据和谐器的信标帧与和谐器同步。
（3）支撑PAN网络的相关（Association）和撤销相关（Disassociation）操作。
（4）为设备的安全性供给支撑。
（5）运用CSMA-CA机制同享物理信道。
（6）处理和保护时隙确保GTS（Guaranteed Time Slot）机制。
（7）在两个对等的MAC实体之间供给一个牢靠的数据链路。
在IEEE 802.15.4的MAC层中引进了超帧结构和信标帧的概念。这两个概念的引进极大了方便了网络办理，咱们能够选用以超帧为周期组织LR-WPAN网络内设备间的通讯。每个超帧都以网络和谐器宣布信标帧为始，在这个信标帧中包含了超帧将继续的时刻以及对这段时刻的分配等信息。网络中的一般设备接纳到超帧开始时的信标帧后，就能够依据其间的内容组织自己的使命，例如进入休眠状况直到这个超帧完毕。
MAC子层供给两种服务：MAC层数据服务和MAC层办理服务（MAC sub-layer management entity，MLME）。前者确保MAC协议数据单元在物理层数据服务中正确收发，后者保护一个存储MAC子层协议相关信息的数据库。
1.3 zigbee协议剖析
1.3.1 zigbee协议
zigbee的协议栈结构是由一系列称为层的协议块所组成的。每个层为上一层供给一系列特定的服务。数据进口供给数据传输的服务，办理进口供给其他的一切服务。每个服务接口都经过SAP（Service Access Point）接口与上一层进行数据交换，每个SAP都支撑一系列的服务原语。
zigbee协议栈是依据OSI（Open Systems Interconnection）规范的，但只界说了所需求的那些层。首要由物理层PHY，媒体接入层MAC，网络层以及运用结构层组成，结构图如图所示。其间，PHY层和MAC层选用了IEEE 802.15.4协议规范。
zigbee网络层首要用于zigbee的无线个人区域网WPAN网的组网衔接，数据办理以及网络安全等。
zigbee运用结构层首要为zigbee技能的实践运用供给一些运用结构模型等，以便对zigbee技能的开发运用，在不同的运用场合，其开发运用结构不同，从现在来看，不同厂商供给的运用结构是有差异的。
1.3.2 zigbee网络层
网络层需求在功用上确保与IEEE 802.15.4规范兼容，一起也需求上层供给适宜的功用接口。
关于网络层，其完结和供给的首要功用如下：
（1）发生网络层的数据包：当网络层承受到来自运用子层的数据包，网络层对数据包进行解析，然后加上恰当的网络层包头向MAC传输。
（2）网络拓扑的路由功用：网络层供给路由数据包的功用，假如包的意图节点是本节点的话，将该数据包向运用子层发送。假如不是，则将该数据包转发给路由表中下一结点。
（3）装备新的器材参数：网络层能够装备适宜的协议，比方树立新的和谐器并建议树立网络或许参加一个已有的网络。
（4）树立PAN网络
（5）连入或脱离PAN网络：网络层能供给参加或脱离网络的功用，假如节点是和谐器或许是路由器，还能够要求子节点脱离网络。
（6）分配网络地址：假如本节点是和谐器或许是路由器，则接入该节点的字节点的网络地址由网络层操控。
（7）街坊节点的发现：网络层能发现保护网络街坊信息。
（8）树立路由：网络层供给路由功用。
（9）操控接纳：网络层能操控接纳器的承受时刻和状况。
zigbee网络层的结构
为了向运用层供给接口，网络层供给了两个功用服务实体，别离为数据服务实体NLDE和办理服务实体NLME。NLDE经过NLDE-SAP为运用层供给数据传输服务，NLME经过NLME-SAP为运用层供给网络办理服务，而且，NLME还完结对网络信息库NIB的保护和办理。
1.3.3 zigbee运用层
zigbee运用层包含运用支撑子层APS、运用结构AF、zigbee设备目标ZDO。它们共同为各运用开发者供给一致的接口。
1.3.3.1 运用支撑子层APS
APS层首要功用：
（1）APS层协议数据单元APDU的处理。
（2）APSDE供给在同一个网络中的运用实体之间的数据传输机制。
（3）APSME供给多种服务给运用目标，这些服务包含安全服务何绑定设备，并保护办理目标的数据库，也便是咱们常说的AIB。
1.3.3.2 运用结构AF
运用结构（Application Framework）为各个用户自界说的运用目标供给了模板式的活动空间，为每个运用目标供给了键值对KVP服务和报文MSG服务两种服务供数据传输运用。
每个节点除了64位的IEEE地址，16位的网络地址，每个节点还供给了8位的运用层进口地址，对应于用户运用目标。端点0为ZDO接口，端点1至240供用户自界说用于目标运用，端点255为播送地址，端点241 -254保存将来运用。每一个运用都对应一个装备文件（Profile）。装备文件包含：设备ID（Device ID），业务集群ID（cluster ID），特点ID（Attribute ID）等。AF能够经过这些信息来决议服务类型。
1.3.3.3 zigbee设备目标ZDO
ZDO是一个特别的运用层的端点（Endpoint）。它是运用层其他端点与运用子层办理实体交互的中心件。它首要供给的功用如下：
（1）初始化运用支撑子层，网络层。
（2）发现节点和节点功用。在无信标的网络中，参加的节点只对其父节点可见。而其他节点能够经过ZDO的功用来确认网络的全体拓扑结构现已节点所能供给的功用。
（3）安全加密办理：首要包含安全key的树立和发送，现已安全授权。
（4）网络的保护功用。
（5）绑定办理：绑定的功用由运用支撑子层供给，可是绑定功用的办理却是由ZDO供给，它确认了绑定表的巨细，绑定的建议和绑定的免除等功用。
（6）节点办理：关于网络和谐器和路由器，ZDO供给网络监测、获取路由和绑定信息、建议脱离网络进程等一系列节点办理功用。
ZDO实践上是介于运用层端点和运用支撑子层中心的端点，其首要功用会集在网络办理和保护上。运用层的端点能够经过 ZDO供给的功用来获取网络或许是其他节点的信息，包含网络的拓扑结构、其它几点的网络地址和状况以及其他几点的类型和供给的服务等信息。
1.4 zigbee网络拓扑结构
zigbee网络支撑多种网络拓扑结构，最典型的网络结构是星型网络的拓扑结构。关于星型网络，由一个和谐器和多个终端节点组成。在星型网络中，一切的通讯都是经过和谐器转发。这样的网络结构有三个缺陷：一是会添加和谐器的负载，对和谐器的功能要求很高；二是和谐协作都经过和谐器转发的话，会极大的添加体系的延时，使得体系的实时性受到影响；三是单一节点的损坏形成整个网络的瘫痪，降低了网络的鲁棒性。
除了支撑星型网络以外，zigbee还支撑树状（Tree）和网状（Mesh）等对等网络，如图2-11。在对等网络中，也存在一个PAN和谐器（Coordinator），可是它现已不是网络的主操控器，而是首要起到建议网络和组网的效果。在对等网络中，一个设备在另一设备的通讯规模之内，他们就能够相互通讯。因而，对等网络拓扑结构一致构成较为杂乱的网络结构。对等网络拓扑结构首要在工业检测和操控，无线传感网络，供给物资盯梢，农业智能化以及安全监控方面都有广泛的运用。在网络中，各个设备之间发送音讯时，运用了多跳传输，以增大网络的掩盖规模。其间，组网的路由协议是选用了无线自组网按需平面间隔矢量AODV路由协议（Ad Hoc On Demand Distance Vector Routing），无论是星型拓扑仍是对等拓扑，每个独立的PAN都有一个仅有的标志符PAN ID，用以同一个网络之内节点的相互辨认和通讯。
