一、ZigBee技术的概念
ZigBee技术是指一种无线通信技术。根据IEEE 802标准委员会（LMSC）的定义，依ZigBee技术构建的网络属于无线个人局域网的范畴，简称无线个域网（WPAN，Wireless Personal Area Network），且属于低数据速率的WPAN（LR-WPAN）。由ZigBee技术组成的无线通信网络，其最显著特点是：短距离、低速率、低功耗、低成本或低复杂度。由ZigBee技术的解决方案，将被嵌入到消费电子集成电路、家庭和建筑自动化、工业控制、PC外围设备、医疗传感器应用、玩具和游戏中，尤其是在物联网的广泛应用场景中大显身手。
“ZigBee”一词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。结合此寓意，该无线通信技术借用了“ZigBee”一词。
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二、ZigBee技术的规范
我们知道，对于通信网络，国际标准化组织（ISO）定义了开放系统互连参考模型OSI/RM（Open System Interconnection/Reference Model），是分层构建的，ZigBee技术的无线通信网络同样如此。因此，我们通常所说的ZigBee技术，应是符合包括其低层（包括最下的媒体访问控制层（MAC）和物理层（PHY））协议规范（IEEE 802.15.4系列标准），和其高层（即网络层以上，包括数据链路、安全、应用接口及应用等）协议规范（ZigBee联盟的相关规范）的技术总称。
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ZigBee技术的底层规范，是由IEEE 802.15工作组中的第4任务组（TG4）所研究制定，所发布的标准为IEEE 802.15.4系列。而对于ZigBee技术的高层协议规范，则是由ZigBee联盟负责制定的，ZigBee联盟及其规范对于LR-WPAN的广泛应用起到了重要的推进作用。
1、ZigBee技术的低层规范
802.15.4标准的第1个版本是发布于2003年10月1日的IEEE 802.15.4-2003《IEEE信息技术标准-系统之间的电信和信息交换-局域网和城域网-特定要求 第15.4部分：低速率无线个人区域网（LR-WPAN）的无线媒体访问控制（MAC）和物理层（PHY）规范》。它定义了在无线个人区域网（WPAN）中，使用低数据速率、低功率和低复杂度的短距离射频（RF）传输的数据通信设备的协议和兼容互连。其定义的PHY和MAC规范，以实现与固定式、便携式和移动式设备的低数据速率无线连接，这些设备没有电池或电池消耗的要求非常低，通常在10米的个人操作空间（POS，Personal Operating Space）中运行。且是与诸如802.15.2和802.11等其它无线设备共存。该标准是为廉价设备之间的超低复杂度、超低成本、超低功耗和低数据速率无线连接提供标准。原始数据速率将足够高（最大250kbs），可以满足一系列简单的需求，例如交互式玩具，但可以扩展到无线通信的传感器需求和自动化需求（20kbps或更低）。802.15.4-2003规定的基本功能特性汇总于下表2-1中。
表2-1：802.15.4规范的基本功能特性
IEEE 802.15.4-2003发布后，LMSC目前已在2006年、2011年、2015年和2020年进行了4次修订。当然，在这些各版本之后，针对相应的版本IEEE 802.15又发布了有关修正案，对该版本的功能、技术或应用进行了补充、扩展。这些修正案众多（目前其编号已由4a到4z），有的正式批准为标准，有的发布的是草案（Draft）。对于这些修正案有的已经被后续修订版所取代，有的目前仍然有效。IEEE 802.15.4各后续版本都是在802.15.4-2003版本的基础上的演进，它补充、扩展了802.15.4-2003的相关功能、技术方案或应用。各版本后项兼容。
依据ZigBee联盟的要求，目前ZigBee技术的相关产品应符合IEEE 802.15.4-2011标准的要求。那么IEEE 802.15.4-2011规定的基本功能特性也汇总于表2-1中，以作比较。下述以IEEE 802.15.4-2011标准为基础，介绍其ZigBee技术的相关要求。
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2、ZigBee技术的高层规范
网络的低层协议规范仅仅是该技术的存在基础，要想在实际场景中应用，必须有高层协议规范的支撑。为此，为了使符合IEEE 802.15.4标准的LR-WPAN产品在实际场景中得到推广应用，国际上一些相关单位专门成立了ZigBee联盟，研究制定其高层协议规范，并开展相关产品的认证，对于ZigBee技术的LR-WPAN的推广应用起到了极大的促进作用。
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关于ZigBee联盟的LR-WPAN高层协议规范，在2006年2月发布了第1个版本《ZigBee规范》，后在2007年和2015年也进行了两次大的修订。其ZigBee技术的高层规范基本情况详见下表2-2，包括版本号、发布日期及说明等。目前ZigBee技术的高层规范应符合《ZigBee-2015规范》的要求。该版本规范其主要内容共包括四部分：ZigBee规范概述；应用层规范；网络规范；安全服务规范。
表2-2：ZigBee联盟的高层协议规范的基本情况
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三、ZigBee技术的物理层技术
在IEEE 802.15.4-2011中，共定义了7种物理型式，这些型式与采用的射频工作频率、扩频方式、调制方式等相关。其中采用的扩频方式有直接序列扩频方式（DSSS）、并行序列扩频方式（PSSS）和线性调频扩频方式（CSS）；同时还为 LR-WPAN规定了采用超宽带（UWB，ultra-wide band）技术的物理层。
采用的调制方式主要有正交四相相移键控（O-QPSK，Orthogonal-Quadrature phase shift Keying）调制和二进制相移键控（BPSK，Binary phase-shift keying modulation）调制等多种调制方式。其O-QPSK和BPSK调制方式的调制过程分别如下图3-1和下图3-2所示。
图3-1：O-QPSK调制方式调制过程示意框图
图3-2：BPSK调制方式调制过程示意框图
ZigBee技术的LR-WPAN，其射频频率工作于免许可的工业、科学和医疗（ISM）频段，即2.4GHz频段，可以降低ZigBee设备的生产成本。另外又引入了915MHz（适于美国使用）和868MHz（适于欧洲使用）的频段和其它频段。
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四、ZigBee技术的系统设备组成
依据IEEE 802.15.4-2011标准的规定，ZigBee技术的LR-WPAN有两种设备：全功能设备（FFD，Full-Function Device）和精简功能设备（RFD，Reduced-Function Device）。FFD既可以与FFD通信，又可以与RFD通信；RFD只能和FFD通信。RFD 设备主要用于简单的控制应用，如灯的开关、被动式红外线传感器等，传输的数据量较少，对传输资源和通信资源占用不多，这样 RFD 设备可以采用非常廉价的实现方案。
其ZigBee技术的LR-WPAN系统应由几个部分组成，其中最基本的是设备。设备可以是FFD或者RFD。在个人操作空间（POS）范围内使用同一个物理信道通信的两个或者多个设备构成一个WPAN。这个WPAN应该至少包括一个作为该网络的PAN协调器的FFD。
在无线访问媒介中，由于传播特性是动态的、不确定的，所以无法很好地定义覆盖范围。点位置或天线方向的微小改变、物体移动等周围环境的变化都有可能引起通信链路信号强度和质量的剧烈变化，因而无线通信的覆盖范围不是确定的。这就造成了 LR-WPAN 网络中设备的数量以及它们之间关系的动态变化。
五、ZigBee技术的网络拓扑结构
依据IEEE 802.15.4-2011标准之规定，ZigBee技术的LR-WPAN有两种网络拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构，具体详见下图5。
图5：ZigBee技术的网络拓扑结构
1、星型拓扑结构
星型拓扑结构由一个叫做 PAN 主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须为一个具有完整功能的设备FFD，从设备既可为FFD，也可为RFD。在实际应用中，应根据具体应用情况，采用不同功能的设备，合理地构造通信网络。在组网中，通常将这些设备分为起始设备或者终端设备，PAN 主协调器既可以作为起始设备、终端设备，也可以作为路由器，是 PAN 网络的主控制器。在任何一个拓扑网络上，所有设备都有一个唯一的 64 位长地址码，该地址可以在 PAN 中用于直接通信，或者当设备之间已经存在连接时，可以将其转变为 16 位短地址码分配给设备。PAN 主协调器是主要的耗电设备，而其它从设备经常采用电池供电。星型拓扑结构通常在家庭自动化、PC 外围设备、玩具、游戏以及个人健康检查方面得到应用。
2、对等拓扑网络结构
在对等拓扑网络结构中，同样也存在一个PAN 主设备，但该网络不同于星型拓扑网络结构，该网络中的任何一个设备都可以与其通信范围内的其它设备进行通信。对等拓扑网络结构能够构成相对复杂的网络结构，例如网状拓扑网络结构。一个对等网络路由协议可以是基于 ad hoc 技术、也可以是自组织式的和自恢复式的，并且在网络中各个设备之间发送消息时，可通过多个中间设备中继的传输方式进行传输，即通常称为多跳的传输方式。这种对等拓扑网络结构在工业监测和控制、无线传感器网络、供应物资跟踪、农业智能化以及安全监控等方面都有广泛的应用。
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