第2章 Zigbee技术原理
zigbee技术的原理及应用
Zigbee技术的原理及应用1. 引言Zigbee是一种低功耗、近距离无线通信协议，被广泛应用于物联网领域。
本文将介绍Zigbee技术的原理，并探讨它在各个领域的应用。
2. Zigbee技术的原理•Zigbee协议：Zigbee是一种基于IEEE 802.15.4标准的通信协议。
它使用2.4GHz、900 MHz和868 MHz无线频段进行通信。
•网络拓扑：Zigbee网络采用星状、网状和树状等多种拓扑结构。
其中，星状拓扑最常见，由一个中心设备（协调器）和若干个终端设备组成。
•网络通信：Zigbee采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）的通信方式，确保数据的可靠传输。
•低功耗：Zigbee设备的功耗非常低，可以通过休眠和睡眠模式来降低能耗，在电池供电的应用中具有较长的使用寿命。
3. Zigbee技术的应用3.1 智能家居•环境监测：通过Zigbee传感器可以实时监测室内温度、湿度、光照等环境指标，实现智能调控。
•安防系统：Zigbee技术可以用于家庭安防系统，包括智能门锁、烟雾报警器和入侵检测器等。
•能源管理：通过智能插座和用电监控装置，实现对家电的远程控制和能源使用的监测。
3.2 工业控制•无线传感网络：Zigbee技术可以应用于工业领域的无线传感网络，实现对设备状态的监测和控制。
•远程监控：利用Zigbee传感器，可以实现对工业设备的远程监控和故障诊断。
•自动化控制：Zigbee网络可用于自动化控制系统，实现对设备的自动控制和优化。
3.3 医疗健康•远程监护：Zigbee技术可以用于监测和传输患者的生理参数，如心率、血压和血氧饱和度等。
•医疗设备：利用Zigbee传感器和控制器，可以实现医疗设备的远程操控，提高医疗效率。
•健康管理：通过与智能手机和云平台的连接，可实现对个人健康状况的实时监测和管理。
3.4 农业领域•农业监测：Zigbee网络可用于农业领域的远程监测，包括温度、湿度和土壤湿度的实时监测。
zigbee的工作原理
zigbee的工作原理Zigbee是一种低功耗、短距离无线通信技术，主要用于物联网设备之间的通信。
它基于IEEE 802.15.4标准，并在其基础上添加了网络层和应用层协议。
Zigbee网络由一个协调器（Coordinator）和多个设备（Device）组成，协调器负责网络的管理和控制。
Zigbee的通信距离一般在几十米到几百米之间，传输速率较低，可达到250kbps。
它采用的是低功耗的射频技术，以确保设备的电池寿命较长。
此外，Zigbee使用的是mesh网状网络拓扑，设备之间可以通过多跳传输进行通信，提高了网络的覆盖范围和稳定性。
Zigbee的工作原理如下：1.设备加入网络：当设备加入Zigbee网络时，它会发送一个加入请求，协调器验证设备的身份后，将其分配给合适的网络节点。
设备可以是有源设备（Powered Device，PD）或无源设备（End Device，ED）。
有源设备可以直接与协调器通信，而无源设备需要通过其他设备进行中继。
2.建立网络拓扑：Zigbee网络采用mesh网状拓扑结构，其中每个设备都可以是路由器（Router），即可以进行中继的节点，或终端设备（End Device），即不能进行中继的节点。
设备之间可以通过多跳传输进行通信，数据可以沿着多个路径传递，提高了网络的可靠性和覆盖范围。
3.网络管理与路由选择：协调器负责网络的管理和控制，它会维护网络拓扑结构，并执行路由选择算法。
路由选择算法决定了数据传输的最佳路径，通过选择具有最佳信号强度和跳数的路由器进行数据传输，保证了数据的快速传递和可靠性。
4.数据传输和通信：设备之间可以通过两种方式进行通信，即直接通信和间接通信。
直接通信是指设备直接发送数据给目标设备，而间接通信是指设备通过中继节点进行数据传输。
设备可以根据需求选择合适的通信方式，以达到最佳的传输效果。
总的来说，Zigbee通过建立mesh网状网络拓扑，利用低功耗的射频技术实现设备之间的无线通信。
02_第2章 Zigbee技术原理
协调器 产生网 络信标帧 普通设备 根据信标帧 与协调 器同步
处理 和 维护 保证 GTS
在 两个 对等 MAC实体间 提供 可靠 链路
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2.3.2 MAC层
MAC子层具体功能
采用CSMA/CA机 制来访问信道 PAN的建 立和维护 支持PAN 网络的关 联和解除 关联 处理和维护保 证GTS 在两个对等 MAC实体间提 供可靠链路 协调器产生网络 信标帧，普通设 备根据信标帧与 协调器同步
第2 章
Zigbee技术原理
-1-
本章目标
理解Zigbee网络结构
掌握IEEE802.15.4通信层
掌握MAC层和网络层帧结构
掌握Zigbee网络层服务规范
掌握Zigbee应用层规范
-2-
本章目标
理解Zigbee网络结构
掌握IEEE802.15.4通信层
掌握MAC层和网络层帧结构
掌握Zigbee网络层服务规范
协调器在构建一个新的网络时，需要扫描所有信道（在MAC层这种扫描称做
ED_SCAN），然后为网络选择一个空闲的信道，这个过程在底层是借助物理
信道能量检测来完成的。如果一个信道被别的网络占用，体现在信道能量上 的值是不一样的。IEEE802.15.4标准定义了与之相关的两个原语：能量检测 请求原语（PLME_ED.request）和能量检测确认原语（PLED-ED.confirm）。
物理层属性参数的获取与设置
在Zigbee协议栈里面，每一层协议都维护着一个信息库（PAN
information base，PIB）用于管理该层，里面具体存放着与该层相 关的一些属性参数，如最大报文长度等。在高层可以通过原语获取或 者修改下一层的信息库里面属性参数。IEEE802.15.4物理层也同样 维护着这样一个信息库，并提供4个相关原语： 属性参数获取请求 （PLME-GET.request） 属性参数设置请求原语 （PLME-SET.request）
ZigBee的工作原理
ZigBｅｅ得工作原理_ZigBee组网技术ZigBee就是一种高可靠得无线数传网络,类似于CDMA与GSＭ网络。
ZiｇBee数传模块类似于移动网络基站。
通讯距离从标准得７5m到几百米、几公里,并且支持无限扩展。
Zｉg ｂee技术特点主要有低功耗、低成本、时延短、网络容量大、工作频段灵活、低速率、安全得数据传输等。
其中低功耗就是Zigbee技术最重要得特点。
由于 Zigbee得传输速率相对较低发射功率较小,使得Ｚｉg beｅ设备很省电,这就是 Zigbee技术能够广泛应用得基石。
ＺｉｇＢeｅ协议适应无线传感器得低花费、低能量、高容错性等得要求。
Zigｂｅe 得基础就是IＥEE 80２.１5。
4、但ＩＥEE仅处理低级MAC层与物理层协议,因此Zigbeｅ联盟扩展了IEEE,对其网络层协议与API进行了标准化。
Zigbee就是一种新兴得短距离、低速率得无线网络技术。
主要用于近距离无线连接。
它有自己得协议标准,在数千个微小得传感器之间相互协调实现通信。
ZigBeｅ组网概述组建一个完整得zigbｅe网状网络包括两个步骤:网络初始化、节点加入网络。
其中节点加入网络又包括两个步骤:通过与协调器连接入网与通过已有父节点入网。
ＺiｇＢeｅ网络初始化预备Zigｂee网络得建立就是由网络协调器发起得,任何一个ziｇbee节点要组建一个网络必须要满足以下两点要求:(1)节点就是FFD节点,具备ｚiｇbeｅ协调器得能力;(2)节点还没有与其她网络连接,当节点已经与其她网络连接时,此节点只能作为该网络得子节点,因为一个zigｂee网络中有且只有一个网络协调器。
FFＤ:Full Func TI on Dｅｖｉｃe 全功能节点RFD:Rｅｄuceｄ FｕｎｃTI onDevicｅ半功能节点ＺigBee网络初始化流程1、确定网络协调器首先判断节点就是否就是ＦFD节点,接着判断此FFD节点就是否在其她网络里或者网络里就是否已经存在协调器。
zigbee应用
zigbee应用ZigBee技术是一种低功耗、近距离、低速率无线通信技术，具有低功耗、低成本、简单易用等特点，广泛应用于智能家居、物联网、能源管理、电力控制等领域。
本文将从ZigBee技术的基本原理、应用案例以及未来发展等方面进行介绍，旨在帮助读者更好地理解和了解ZigBee技术的应用。
一、ZigBee技术基本原理ZigBee技术是一种基于IEEE802.15.4标准的无线通信技术，使用全球2.4GHz频段，采用工作在低速率模式下的设备，适用于大范围的低功耗应用。
ZigBee技术主要包含三个基本组件：设备、协调器和网络。
设备是指采用ZigBee技术的终端设备，如传感器、开关等，用于感知环境信息，并将其通过ZigBee网络传输到协调器。
协调器是ZigBee网络的核心节点，负责组网、路由和管理网络中的设备。
它还可以与上层网络（如无线局域网）进行通信，实现设备与互联网的连接。
网络是由协调器和多个设备组成的拓扑结构，通过ZigBee协议进行通信。
ZigBee网络分为星型、网状和混合三种结构，可以根据不同应用需求选择不同的拓扑结构。
ZigBee技术通过低功耗的无线通信方式实现设备之间的数据传输。
它采用短距离通信，通信距离一般在10-100米之间，适用于室内环境。
同时，ZigBee技术在传输过程中对数据进行了优化，采用了低速率的传输模式，降低了能耗。
二、ZigBee技术应用案例1. 智能家居智能家居是ZigBee技术最常见的应用领域之一。
通过将传感器、开关、灯光等设备连接到ZigBee网络中，实现对家居环境的智能控制。
用户可以通过智能手机、平板电脑等终端设备，远程控制家居设备的开关、调光、温度等功能，提高家居的舒适度和便利性。
2. 物联网ZigBee技术也广泛应用于物联网领域。
通过将物联网设备连接到ZigBee网络中，实现对物联网设备的监测、控制和管理。
例如，智能城市中的环境监测设备可以通过ZigBee网络将环境数据传输到中心服务器，实现对环境状况的实时监测和分析。
ZigBee无线网络原理
ZigBee无线网络原理
ZigBee无线网络是一种低功耗、低速率的无线网络通信协议，其原理基于IEEE 802.15.4标准。
它适用于需要将大量节点连
接到一个中心控制器的应用场景，具备自组织、自修复和自动路由等特性。
ZigBee网络由三种设备组成：协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端设备（End Device）。
协调器是网络的核心，负责管理网络配置和协调各个设备的通信。
路由器可以转发数据包，并帮助建立路由表，使数据传输更高效。
终端设备是最简单的节点，功能有限且通信范围较短。
这些设备可以通过无线信道进行通信，并使用MAC层和物理层协议来实现数据传输。
ZigBee网络采用星型、树型或网状拓扑结构，其中协调器处
于网络的根节点，其他设备通过与协调器的直接或间接连接来实现通信。
网络中的节点可以根据实际情况自动组建和拓扑重组，无需手动配置。
在数据传输过程中，ZigBee网络使用CSMA-CA（载波感知多路访问监听）机制来协调节点的发送行为，避免冲突和碰撞。
每个节点都有一个64位的唯一地址，用于标识设备和建立通
信连接。
节点之间可以通过短距离的无线信道进行通信，距离一般在几十米到几百米之间，受限于无线信号传播和环境干扰等因素。
ZigBee网络支持多种应用层协议和功能，例如家庭自动化、
工业控制、智能电网等。
它的低功耗特性使得它在电池供电设备、传感器网络等场景下得到广泛应用。
通过合理设计和优化网络结构和通信机制，ZigBee无线网络可以实现可靠的数据传输和灵活的网络管理。
zigbee 原理
zigbee 原理
Zigbee是一种无线通信协议，专门用于低功耗、短距离通信。
它基于IEEE 802.15.4标准，并且通过射频通信进行数据传输。
Zigbee的原理如下：
1. 网络拓扑：Zigbee网络由一个或多个设备组成，这些设备可以是传感器、控制器、终端设备等。
这些设备按照不同的拓扑结构组成网络，常见的拓扑结构包括星型、网状和树状结构。
2. 节点角色：在Zigbee网络中，不同的设备扮演不同的角色。
其中，协调器（Coordinator）是网络的核心，负责管理网络节
点和协调通信。
路由器（Router）用于转发数据，扩展网络范围。
终端设备（End Device）通常是最简单的设备，用于与其
他设备进行通信。
3. 数据通信：Zigbee使用无线射频通信方式，在2.4GHz频段
进行数据传输。
通信过程中，设备通过发送和接收数据帧进行交互。
数据帧中包含了一些必要的信息，如发送者、接收者、数据内容等。
4. 网络组建：Zigbee网络的组建过程通常包括扫描、加入和路由等步骤。
设备首先进行扫描，查找网络中可用的节点。
然后，设备可以加入到网络中，成为网络的一部分。
路由器设备可以通过建立多个路径，实现节点之间的数据传输。
5. 低功耗设计：Zigbee在设计上非常注重低功耗，以满足无线传感器网络的需求。
设备可以进入睡眠模式以节省能源，并且
可以通过唤醒信号来重新激活。
总的来说，Zigbee的原理是基于低功耗、短距离的无线通信，通过网络拓扑、节点角色、数据通信和低功耗设计等要素，实现设备之间的数据传输和协作。
什么是zigbee网络_它的工作原理及应用
什么是Zigbee网络: 它的工作原理及应用1. 简介Zigbee是一种无线通信协议，它是基于IEEE 802.15.4标准开发的，用于低功率无线传感器网络（LP-WAN）。
它的设计旨在为大规模的传感器网络提供低功耗、低数据传输速率和安全的通信解决方案。
目前，Zigbee已被广泛应用于物联网、家庭自动化和工业控制系统等领域。
2. Zigbee网络的工作原理Zigbee网络采用了星型拓扑结构，其中一个设备充当协调器的角色，其他设备连接到该协调器。
Zigbee设备之间通过无线信道进行通信，在工作过程中，协调器负责网络协议的管理和数据的传输。
Zigbee网络使用低功耗的射频技术进行通信，工作频率通常为2.4 GHz，传输距离一般在10-100米之间，但可以通过增加中继器来扩展覆盖范围。
3. Zigbee网络的应用Zigbee网络在多个领域有着广泛的应用，下面列举了一些主要的应用场景：• 3.1 物联网Zigbee作为物联网中的关键技术之一，广泛应用于智能家居、智能城市和智能农业等领域。
通过连接多个设备，如传感器、执行器和控制器，Zigbee网络可以实现远程监控、智能能源管理和自动化控制等功能。
• 3.2 家庭自动化Zigbee网络在家庭自动化中的应用越来越受欢迎。
它可以连接各种设备，如智能灯泡、智能插座和智能门锁等，通过无线通信实现对家居设备的远程控制和智能化管理。
• 3.3 工业控制系统Zigbee网络在工业控制系统中也有着广泛的应用。
它可以用于监测和控制各种设备，如温度传感器、湿度传感器和压力传感器等。
通过无线通信，工业系统可以实现实时监测和远程控制，提高生产效率和安全性。
• 3.4 智能健康监测Zigbee网络还可以应用于智能健康监测领域。
通过连接各种健康监测设备，如心率检测器、血压计和血糖仪等，Zigbee网络可以实时监测用户的健康状态，并将数据传输到医疗机构进行分析和处理。
• 3.5 环境监测Zigbee网络也被广泛应用于环境监测领域。
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工作频段的分配
的信道。
2.4GHZ
列直 扩接 频序 868/915MHZ
IEEE802.15.4
868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美 国的ISM频段，868MHz的传输速率为 20kbit/s，915MHz是40kbit/s。 868MHz 支持1个数据速率为20kbps的信道， 915MHz支持10个数据速率为40kbps的信 道。
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2.2.1 Zigbee网络结构
Zigbee网络分为4层，从下向上分别 为物理层、MAC层、网络层和应用 层。其中物理层和MAC层由 IEEE802.15.4标准定义，合称 IEEE802.15.4通信层；网络层和应 用层由Zigbee联盟定义
应用层 Zigbee联盟 网络层/安全层 MAC层 IEEE802.15.4 物理层
第 2章
Zigbee技术原理
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本章目标
理解Zigbee网络结构
掌握IEEE802.15.4通信层
掌握MAC层和网络层帧结构
掌握Zigbee网络层服务规范
掌握Zigbee应用层规范
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本章目标
理解Zigbee网络结构
掌握IEEE802.15.4通信层
掌握MAC层和网络层帧结构
掌握Zigbee网络层服务规范
属性参数获取确认原语 （PLME-GET.confirm）
属性参数设置确认原语 （PLME-SET.confirm）
- 22 -
2.3.2 MAC层
MAC层负责无线信道的使用方式，它们是构建Zigbee协议底层的基础
其功能如下：
CSMA/CA 访问 信道
PAN的 建立和 维护
支持 PAN 网络的 关联 和解除 关联
k 0 k 1, 2, ,10 k 11,12, , 26
- 13 -
2.3.1 物理层
物理层服务规范
物理层的主要功能是在一条物理传输媒体上，实现数据链路实体之间
透明地传输各种数据比特流。它提供的主要服务包括：物理层连接的 建立、维持与释放、物理服务数据单元的传输、物理层管理、数据编 码。物理层功能涉及“服务原语”和“服务访问接口”两个概念
-5-
2.2.2 拓扑结构 星型
在星型拓扑结构中，所有的终端设备只和协 调器之间进行通信，协调器作为发起设备， 协调器一旦被激活，它就建立一个自己的网 络，并作为PAN协调器。路由设备和终端设 备可以选择PAN标识符加入网络。
树型
树型网络由一个协调器和多个星型结构连接 而成，设备除了能与自己的父节点或子节点 互相通信外，其他只能通过网络中的树型路 由完成通信；在树型网络中，由协调器发起 网络，路由器和终端设备加入网络。
收发状态设置请求 PLME-SET-TRX-STATE.request （ status ）
收发状态设置确认
PLME-SET-TRX-STATE. confirm
（ status )
- 19 -
2.3.1 物理层
空闲信道评估
由于802.15.4标准的MAC子层采用的是CSMA/CA机制访问信道，需
-6-
2.2.2 拓扑结构 网状型
网状型网络是在树型网络的基础上实现的。 与树状网络不同的是，它允许网络中所有具 有路由功能的节点互相通信，由路由器中的 路由表完成路由查寻过程 。在网状型网络 中，每个设备都可以与在无线通信范围内的 其他任何设备进行通信。
-7-
2.2.3 协议架构
应用层
应用设备框架AF 应用设备240 端点240 APSDE-SAP … 应用设备1 端点1 APSDE-SAP 应用支持子层 APS APS信息管理
物理层属性参数的获取与设置
在Zigbee协议栈里面，每一层协议都维护着一个信息库（PAN
information base，PIB）用于管理该层，里面具体存放着与该层相 关的一些属性参数，如最大报文长度等。在高层可以通过原语获取或 者修改下一层的信息库里面属性参数。IEEE802.15.4物理层也同样 维护着这样一个信息库，并提供4个相关原语： 属性参数获取请求 （PLME-GET.request） 属性参数设置请求原语 （PLME-SET.request）
网络层
网络层提供保证IEEE802.15.4 MAC层正确工作 的能力，并为应用层提供合适的服务接口，包括 数据服务接口和管理服务接口。
IEEE802.15.4 通信层（MAC层和物理层）
-9-
2.3 IEEE802.15.4通信层
IEEE802.15.4规范满足国际标准组织（ISO）开放系统互联（OSI）
掌握Zigbee应用层规范
-3-
2.2 Zigbee网络结构
协调器
路由器
终端节点
网为 整 络建 个 ，立 网 分、 络 配维 的 网持 中 络和 心 地管 功 址理 能
接允 路 入许 由 到其 发 网他 现 络节 、 点消 通息 过传 它输 、
允数 加许 据 入其 采 到他 集 或 网节 控 络点 制 中通 过， 它不
MAC公共部分子 层（MCPS）
- 25 -
2.3.2 MAC层
CSMA/CA工作原理
CSMA/CA机制实际是在发送数据帧之前对信道进行预约，以免造
成信道碰撞问题。CSMA/CA提供两种方式来对无线信道共享访问， 其工作流程如下：
送出数据前， 监听信道的使 用情况，维持 一段时间后， 再等待一段随 机的时间后信 道依然空闲， 送出数据
数据请求
数据确认
数据指示
PD-DATA.indication （ psduLength, psdu, ppduLinkQuality )
（
PD-DATA.request
)
psduLength, psdu
PD-DATA.confirm （ status )
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2.3.1 物理层
物理能量信道的检测
要探测当前的物理信道是否空闲，物理层提供的CCA检测功能就是 专门为此而定义的。此功能定义的两个与之相关的原语为：CCA请 求原语（PLME-CCA.request）与CCA确认原语（PLMECCA.confirm）。
CCA请求
CCA确认
PLME-CCA.request （ ）
PLME-CCA.confirm （ status )
Zigbee设备对象 ZDO
端点0 APSDE-SAP
APS安全管理
APSMESAP
安全服务 提供商
NLDE-SAP 网络层
NLME-SAP
ZDO管理平台
路由管理
网络管理
网络安全管理
NLDESAP
MCPS-SAP
P
MAC层
PD-SAP
MLME-SAP
物理层
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2.2.3 协议架构
应用层 应用层包括三部分：应用支持子层、Zigbee 设备对象和厂商定义的应用对象
PLME 物理层 PHY-PIB
RF-SAP(无线发送接收访问接口)
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2.3.1 物理层
数据的发送和接收
数据的发送和接收是通过PD-SAP提供的PD-DATA原语完成的，它可
以实现两个MAC子层的MAC协议数据单元（MAC Protocol Data Unit，MPDU）传输。IEEE802.15.4标准专门定义了三个与数据相关 的原语：数据请求原语（PD-DATA.Request），数据确认原语 （firm）和数据指示原语（PD-DATA.Indication）。
能量检测确认
能量检测请求
PLME-ED.request （ ）
PLME-ED.confirm （ status, Energy Level )
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2.3.1 物理层
射频收发器的激活与关闭
为了满足低功耗要求，在不需要无线数据收发时，可以选择关闭底层
射频收发器。802.15.4标准定义了两个相关的原语：收发器状态设置 请求原语（PLME-SET-TRX-STATE.request）和收发器状态设置确 认原语（PLME-SET-TRX-STATE.confirm）。
参考模式，它定义了Zigbee的物理层和MAC层。
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2.3.1 物理层
物理层所负责的功能：
工作频段的分配
信道的分配
为MAC层提供数据服务
为MAC层提供管理服务
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2.3.1 物理层
全球统一的无须申请的ISM频段， 此频段的物理层通过采用高阶调制 技术能够提供250kbit/s的传输速 率 ，提供16个数据速率为250kbps
协调器在构建一个新的网络时，需要扫描所有信道（在MAC层这种扫描称做
ED_SCAN），然后为网络选择一个空闲的信道，这个过程在底层是借助物理
信道能量检测来完成的。如果一个信道被别的网络占用，体现在信道能量上 的值是不一样的。IEEE802.15.4标准定义了与之相关的两个原语：能量检测 请求原语（PLME_ED.request）和能量检测确认原语（PLED-ED.confirm）。
定层提供的服务与上层之间的接口。这里所说的“接口”是指不同功能层的 “通信规则”。例如，物理层服务访问接口是通过射频固件和硬件提供给 MAC层与无线信道之间的通信规则。服务访问接口是通过服务原语实现的，
其功能是为其他层提供具体服务。
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2.3.1 物理层
物理层功能
数据的发送与接收 物理信道的能量检测 射频收发器的激活与关闭 空闲信道评估 链路质量指示 物理层属性参数的获取与设置
服务原语：Zigbee协议栈是一种分层结构，从下至上第N层向N+1层或者N+1