详解Zigbee的协议栈结构和技术特点

Posted 2022-04-29 HQYJ_

Zigbee网络是近几年比较火热的点，对于Zigbee网络，大家可能也有所了解。为增进大家对Zigbee的了解，润博君对Zigbee的协议栈结构、Zigbee适用之处以及Zigbee的技术特点加以介绍。

一、什么是ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议）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。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。

二、Zigbee的协议栈结构简介

接下来我们再了解一下Zigbee的协议栈，如下图所示。

从上图可以看出，协议层结构分为硬件与软件，硬件层包括IEEE802.15.4定义的PHY（物理层）和MAC（介质访问层），软件层为Zigbee联盟定义的NWK（网络层）、APS（应用程序支持层）、APL（应用层）。对于Zigbee协议栈的使用者而言，无非就是利用协议栈实现Zigbee设备组网、数据发送和数据接收功能。智能家居开发工程师在采用Zigbee技术上一般可以通过以下两种方式实现。

一为直接采用Zigbee模块，模块与系统控制MCU通信，将要组网和数据收发功能通过Zigbee模块去实现。这样做的优点是系统开发周期短、技术难度小、回避射频设计，缺点是成本高，体积大。

另一种为采用带有Zigbee功能的SoC，将系统应用与Zigbee系统融合为一体。优点为集成度高、成本低;缺点为技术难度高，需要具有一定的射频设计能力。

三、Zigbee适用于那些领域

需要无线通信交换信息的低成本装置;

数据的交换量较小、传输的速率要求不高;

功耗要求极低，采用电池供电且需要维持较长时间;

需要多个（尤其是大量）设备组成无线通信网络，主要进行监测和控制的场合。

Zigbee传输距离为数十米，使用频段为免费的2.4GHz与900MHz频段，传输速率为20kbps至250kbps。BobHeile认为，相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术的低功耗、低速率是最适合作为传感器网络的标准，这将成为未来Zigbee技术主要的发展方向。此外，Zigbee成本低、结构简单、耗电量小等特点，使得利用Zigbee技术组成的网络具备省电、可靠、成本低、容量大、安全、自愈性强等诸多优势，基于Zigbee技术的网状网结构在组网和选择网络路径时更加灵活、自由。

四、zigbee技术特点

1、数据传输率低。只有10kb/s~250kb/s，专注于低传输应用。

2、功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上。这也是zigbee的支持者所一直引以为豪的独特优势。

3、低成本。因为zigbee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本;积极投入zigbee开发的Motorola以及Philips，均已在2003年正式推出芯片，飞利浦预估，应用于主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比蓝牙更具有价格竞争力。

4、网络容量大。每个zigbee网络最多可支持255个设备，也就是说每个zigbee设备可以与另外254台设备相连接。

5、有效范围小。有效覆盖范围10~75m之间，具体依据实际功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

6、工作频段灵活。使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）915MHz（美国），均为免执照频段。

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