0 引言

　　ZigBee的基礎是IEEES02．15．4，這是IEEE無線個人區域網工作組的一項標準，被稱作IEEES02．15．4(ZigBee)技術標準。ZigBee協議由五家公司共同提出：Honeywell、Invensys、三菱電氣、摩托羅拉和飛利浦。IEEF802．15．4工作組為ZigBee定義了三個免受權頻段：2．4GHz(全球應用)，915MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。

　　ZigBee采用DSSS技術，與藍牙等無線通訊技術相比，它具有如下特點：

　　(1)功耗更低：ZigBee Alliance網站公布，以一般電池電力而言，ZigBee產品可使用數月至數年之久。它非常適用于那些需要一年甚至更長時間才需更換電池的設備(如典型的監控設備)。

　　(2)接入設備多：ZigBee的解決方案支持每個網絡協調器帶有255個激活節點，多個網絡協調器可以聯接大型網絡。2．4GHz頻段可容納16個通道，每個網絡協調器帶有255個激活節點(藍牙只有8個)，ZigBee技術允許在一個網絡中包含4千多個節點。

　　(3)成本更低：ZigBee只需要80C51之類的低檔處理器以及少量的軟件即可實現，無需主機平臺。從天線到應用實現只需1塊芯片即可。藍牙需依靠較強大的主處理器(如ARM7)，芯片構架也比較復雜。

　　(4)傳輸速率更低：ZigBee的低功率導致了低傳輸速率，其原始數據吞吐速率在2．4GHz(10channels)頻段為250kbps，在915MHz(6cha-nnels)頻段為40 kbps，在868MHz(1channel)頻段為20kbps。傳輸距離為10～20m。

　　1 ZigBee協議棧

　　ZigBee標準采用分層結構，根據開放式通信系統互聯模型，從上往下具有物理層、數據鏈路層、網絡層、應用支持子層和應用層。從網絡層以上的協議有ZigBee聯盟制定，IEEES02．15．4標準定義物理層和數據鏈路層。

　　1．1 物理層(PHY)

　　物理層是協議層的最底層，主要工作是要啟動與關閉無線傳輸接收器、傳輸與接收數據、使用頻道的選擇、在目前頻道上做訊號能量偵測、數據調變傳輸與接收解調、空閑頻道評估(CCA)和針對接收的封包執行鏈路品質指示(LQI)。

　　IEEE802．15．4定義了兩個物理層標準，分別是2．4GHz和868／915MHz物理層。2．4GHz的物理層通過采用16相調制技術，能夠提供250 kbps的傳輸速率。868 MHz的傳輸速率為20 kbps，916 MHz上的傳輸速率則是40 kbps。

　　物理層提供兩個服務：數據服務和管理服務。數據服務：在物理無線信道上接受和發送物理協議數據單元。管理服務：維護一個由物理層相關數據組成的數據庫。

　　物理層負責下面的任務：

　　(1)無線收發信機的激活和去激活。

　　(2)在當前信道上的能量檢測。

　　(3)鏈路質量指示，用在接受的數據包上。

　　(4)清除信道估計算法用在CSMA／CA技術中。

　　(5)信道頻率選擇。

　　(6)信道數據的接受。

　　1．2 數據鏈路層(MAC)

　　物理層之上的數據鏈路層基于物理層所提供的服務，負責設備間無線數據鏈路的建立，維護和結束，確認模式的幀傳送與接受，信道接入控制，幀校驗，預留時隙管理和廣播信息管理。IEEE802．15．4的MAC層可足夠靈活地來處理這些數據通信。MAC層有兩種信道訪問機制：無標識網絡和標識使能網絡。無標識網絡節點成功接受到信息包后能產生一個積極的回應。標識使能網絡采用超幀結構，這一方面為了有專用的帶寬和低的反應時間，另一方面可通過網絡協調器設定在預定時間間隔內傳輸標識。

　　MAC層使用標識使能來處理周期性數據，當有標識使能時，傳感節點會被喚醒來檢測信息，然后再返回睡眠狀態。間歇性數據可以在無標識網絡中被處理或是以不連貫的方式被處理。當以不連貫方式處理時，通信需要在能節約大量能量的情況下，設備才加入網絡。低反應時間操作可用于保證時間分割(GTS)操作中。GTS是高服務質量的一種方法，它允許每個設備有一個特定的時間間隔，這樣每個超幀就可以自由傳輸而不需要反應和爭搶。

　　1．3 網絡層

　　物理層上面的網絡層由ZigBee標準規定，它確保正確的操作IEEES02．15．4MAC子層和應用層提供服務接口。網絡層為應用層提供兩種服務實體：數據實體和管理實體。網絡層數據實體通過提供數據傳輸服務，網絡層管理實體通過提供管理服務，同時，利用來完成一些管理任務，負責維護網絡數據。

　　ZigBee提供了：星形網絡、樹狀網絡和網狀網絡三種拓撲結構。

　　(1)星型網絡配置包含了一個ZigBee協調器節點和一個或更多的終端設備。在星型網絡中，所有的終端設備都只與協調器通信。如果某個終端設備需要傳輸數據到另一個終端設備，它會把數據發送給協調器，然后協調器依次將數據轉發到目標接收器終端設備。

　　(2)樹狀網絡，在這種配置下，終端設備可以選擇加入ZigBee協調器或者ZigBee路由器。路由器提供兩種功能的服務。一是為整個網絡增加可能的節點數。二是擴展網絡覆蓋的物理范圍。有了路由器以后，終端設備不需要在協調器的射頻范圍內，也可以加入網絡。在樹狀網絡中，所有的信息都由樹節點來組織路由。

　　(3)網狀網類似于樹狀網絡配置，只是FFD可以直接把消息發送給其他的FFD而不用沿著樹來傳輸。來自RFD的消息依然要通過它的父節點來轉發。網狀網絡拓撲的優勢在于減少了消息傳輸的時延并且增加了可靠性。

　　1．4 應用層

　　ZigBee應用層由三個部分組成，APS子層、ZDO(包含ZDO管理平臺)和制造商定義的應用對象。其中，APS提供了這樣的接口：在NwK層和APL層之間，從ZDO到供應商的應用對象的通用服務集。這服務由兩個實體實現：APS數據實體(APSDE)和APS管理實體(APSME)；ZigBee設備對象(ZDO)，描述了一個基本的功能函數，這個功能在應用對象、設備profile和APS之間的提供了一個接口。ZDO位于應用框架和應用支持子層之間。

　　每個ZigBee設備都與一個特定模板有關，可能是公共模板或私有模板。這些模板定義了設備的應用環境、設備類型以及用于設備間通信的簇。公共模板可以確保不同供應商的設備在相同應用領域中的互操作性。設備是由模板定義的，并以應用對象的形式實現。每個應用對象通過一個端點連接到ZigBee堆棧的余下部分它們都是器件中可尋址的組件。ZigBee應用層目前只定義編號1～240的240個應用對象，而241～254則是保留予未來使用。另外，編號0與編號255是給予其他方面使用。ZigBee應用層的通訊基礎是由ZigBee產品供應商發展的模板所構成，某一模板提供對ZigBee特定應用技術需求的解決方案。

　　2 路由算法

　　由ZigBee聯盟發布的ZigBee協議的標準中，網絡層通過兩種路由協議相互補充進行路由的發現與數據的轉發。這兩種路由協議分別是按需路由協議AODV和基于分簇的Cluster-Tree協議。樹型路由適用于節點靜止或者移動較少的場合，屬于靜態路由，不需要路由表，節省存儲資源，對于傳輸數據包的響應較快，但缺點是很不靈活，浪費了大量的地址空間，并且路由效率低。AODV協議主要適用于動態變化的網絡環境中，通過路由請求、路由回復等機制每次都能發現最新的轉發路徑。但是在有的無線傳感器網絡中，節點被部署之后一般都不再發生移動，網絡拓撲的變化也很緩慢，各個傳感器節點只要把采集到的數據發送給匯聚點。而相互之間不需要進行通信。在這樣的情況下，AODV協議就顯得太過復雜。因此，許多從事ZigBee技術的研究人員都提出相應的Cluster-Tree，AODV改進算法，下面對幾種改進算法進行簡單闡述。

　　(1)AODVjr是一種簡化版本的AODV，主要是考慮到ZigBee無線傳感器網絡的電池能量有限性、應用方便性等因素，而簡化了AODV的一些特點。

　　(2)為使簇樹路由算法在縮短時延方面有更好的效果，應該考慮鄰居節點和選擇下一跳節點是到目的節點的最短路徑的節點，這是基于Greedy算法的想法，提出了改進的Cluster-Tree算法。

　　(3)針對ZigBee網絡的Cluster-Tree算法對簇首能量要求高及節點問非最佳路由的問題，提出了Cluster-Tree路由改進算法，對簇首的選擇必須考慮到節點的剩余能量，并結合AODVjr算法來降低路由距離，進而減少轉發數據的能量損耗。

　　(4)通過研究ZigBee協議網絡層的路由算法，分析了樹型路由算法和AODVjr路由算法，并在此基礎上對樹型路由算法提出了一種改進算法(ITRA)，該改進算法將節點分為兩類：一類是具有足夠的存儲空間和能力執行AODVljr路由協議的節點，另一類是指存儲空間受限，不具有執行AODVjr路由協議能力的節點，改善了原有樹型算法的路由效率低問題和避免AODVjr算法的能量消耗和路由表問題。

　　(5)文中分析了無線傳感器網絡的特點和ZigBee協議中的Cluster-Tree路由算法，對其中的分簇方法進行了研究，在此算法的基礎上，利用節點的深度信息對算法進行了簡化，并考慮了能量均衡利用的問題，以實現延長網絡生存周期的目的。改進后的算法在延長網絡生存期方面比LEACH有很大提高。

　　(6)針對ZigBee網絡簇樹拓撲結構的不足，新的算法在選擇父節點時綜合考慮節點的深度、能量和負載情況，使簇樹結構有助于減少數據轉發跳數，并在負載均衡方面更加優化。新策略在優化簇樹結構的基礎上，充分利用本地信息和簇樹結構對ZBR策略進行改進。仿真實驗驗證，改進策略能有效減少網絡能耗，均衡網絡負載，最大化網絡的生存時間。

　　(7)針對網絡隨著載荷增加，數據包碰撞概率增大的情況，提出一種頻點分配算法FFD。該算法以點著色理論為基礎，結合功率控制，采用分布控制方式，使不同分簇內部采用不同的頻點通信，以避免簇間干擾，降低碰撞概率。而簇內通信使用小功率，使節點特別是簇頭能量得到有效利用。

　　3 ZigBee應用

　　ZigBee技術主要是嵌入在消費性電子設備、家庭和建筑物自動化設備、工業控制裝置、電腦外設、醫用傳感器、玩具和游戲機等設備中，支持小范圍的基于無線通信的控制和自動化等領域中。ZigBee聯盟預測的主要應用領域包括工業控制、消費性電子設備、汽車自動化、農業自動化和醫用設備控制等。

　　通常，符合如下條件之一的應用，就可以考慮采用ZigBee技術做無線傳輸：

　　(1)設備成本很低，傳輸的數據量很??；

　　(2)設備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；

　　(3)沒有充足的電力支持，只能使用一次性電池；

　　(4)頻繁地更換電池或者反復地充電無法做到或者很困難；

　　(5)需要較大范圍的通信覆蓋，網絡中的設備非常多，但僅用于監測或控制。

　　4 小結

　　本文介紹了ZigBee技術的優點，協議棧各個層的功能，針對ZigBee低能耗問題，簡單介紹了幾種改進的路由算法，并簡單介紹了ZigBee的應用。