第6章Zigbee网络技术.
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zigbee课程设计
zig bee课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解ZigBee技术的基本概念，包括其起源、特点和应用领域。
2. 学生能够掌握ZigBee网络的体系结构，了解其物理层、媒体访问控制层和网络层的工作原理。
3. 学生能够了解ZigBee协议栈的组成及其在无线传感器网络中的应用。
技能目标：1. 学生能够运用ZigBee模块进行基本的无线通信编程，实现数据发送和接收。
2. 学生能够设计并实现一个小型的ZigBee无线传感器网络系统，进行数据采集和监控。
3. 学生能够通过实验和项目实践，掌握ZigBee网络的配置、调试和维护方法。
情感态度价值观目标：1. 学生能够认识到ZigBee技术在物联网和智能生活领域的广泛应用，增强对物联网技术的兴趣和热情。
2. 学生能够在学习过程中培养团队合作意识，提高沟通与协作能力。
3. 学生能够养成积极探索、动手实践的学习习惯，培养创新思维和问题解决能力。
课程性质：本课程为信息技术课程，旨在让学生了解和掌握ZigBee技术的基本原理和应用，培养实际操作能力和创新意识。
学生特点：学生为初中生，具备一定的信息技术基础，对新鲜事物充满好奇心，喜欢动手实践。
教学要求：结合课程性质和学生特点，教学过程中应注重理论与实践相结合，鼓励学生动手实践，培养其解决问题的能力。
同时，注重培养学生的团队合作意识和创新思维。
通过分解课程目标为具体学习成果，为教学设计和评估提供依据。
二、教学内容1. 引入ZigBee技术：介绍ZigBee的起源、发展历程、特点及其在物联网中的应用。
- 教材章节：第一章 ZigBee概述- 内容：ZigBee的发展背景、关键技术、与其他无线通信技术的对比。
2. ZigBee网络体系结构：讲解ZigBee物理层、媒体访问控制层、网络层的工作原理。
- 教材章节：第二章 ZigBee网络体系结构- 内容：各层的作用、协议栈结构、ZigBee设备类型。
3. ZigBee协议栈与应用：介绍ZigBee协议栈的组成，及其在无线传感器网络中的应用。
ZigBee(紫蜂)技术讲解
APS 安全 管理模块
SPA 服务接入点
应用
…
对象 1
…
端点 1 服务接入点
APS 应用支持子层
APS 信息 分析模块
网络层
公
ZDO
共
接
口
端点 0 服务接入点
SAP
服
网络
务
管理模块
接
入
点
ZDO 管理 平面
SAP
网络安全 管理模块
网络信息 分析模块
SAP 服务接入点
服
路由 管理模块
网络 管理模块
务 接 入
如下图所示。在这种网络结构中设备之间传输 数据时，可以通过路由器转发，即多跳的传输 方式，以增大网络的覆盖范围。网形拓扑结构 具有强人功能。
网状拓扑
网络拓扑
ZigBee网络的拓扑结构
ZigBee的协议架构
1. zigbee网络协议栈概述
应用程序框架
应用层
ZDO
应用 对象 240
端点 240 服务接入点
1. 紫蜂技术（ZigBee） 简介
ZigBee这个名字来源于 蜂群的通信方式：蜜蜂之 间通过跳Zigzag形状的舞 蹈来交互消息，以便共享 食物源的方向、位置和距 离等信息。借此意义 Zigbee作为新一代无线通 讯技术的命名。
紫蜂是一种高可靠的无线数传网络，类似于 CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于 移动网络基站。
2．帧定界符(SFD)为11100101，一个字节，用来标示 同步码的结束和数据包的开始。
3．物理层帧首部由一个字节组成，最高位保留，后七 位用来表示有效载荷的数据长度。
4．PSDU域是物理层携带的有效载荷，长度为0到127 字节。长度为5字节时为MPDU(确认帧)，长度大于7 字节时为MAC层的有效帧，其余长度的作为保留。
SPA 服务接入点
应用
…
对象 1
…
端点 1 服务接入点
APS 应用支持子层
APS 信息 分析模块
网络层
公
ZDO
共
接
口
端点 0 服务接入点
SAP
服
网络
务
管理模块
接
入
点
ZDO 管理 平面
SAP
网络安全 管理模块
网络信息 分析模块
SAP 服务接入点
服
路由 管理模块
网络 管理模块
务 接 入
如下图所示。在这种网络结构中设备之间传输 数据时，可以通过路由器转发，即多跳的传输 方式，以增大网络的覆盖范围。网形拓扑结构 具有强人功能。
网状拓扑
网络拓扑
ZigBee网络的拓扑结构
ZigBee的协议架构
1. zigbee网络协议栈概述
应用程序框架
应用层
ZDO
应用 对象 240
端点 240 服务接入点
1. 紫蜂技术（ZigBee） 简介
ZigBee这个名字来源于 蜂群的通信方式：蜜蜂之 间通过跳Zigzag形状的舞 蹈来交互消息，以便共享 食物源的方向、位置和距 离等信息。借此意义 Zigbee作为新一代无线通 讯技术的命名。
紫蜂是一种高可靠的无线数传网络，类似于 CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于 移动网络基站。
2．帧定界符(SFD)为11100101，一个字节，用来标示 同步码的结束和数据包的开始。
3．物理层帧首部由一个字节组成，最高位保留，后七 位用来表示有效载荷的数据长度。
4．PSDU域是物理层携带的有效载荷，长度为0到127 字节。长度为5字节时为MPDU(确认帧)，长度大于7 字节时为MAC层的有效帧，其余长度的作为保留。
Zigbee技术
WiFi的技术优势
覆盖范围 传输速率 组网方式
半径100m
IEEE802.11b:11Mb/s IEEE802.11a/g:54Mb/s
设置WiFi无线路由器，组网方便
无线网络标准的比较
提纲
1
无线传感网络概述
2
Zigbee协议
3
Z-Stack协议栈
4
Zigbee测试
ZigBee概述
ZigBee是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据率、 低成本的双向无线通讯技术，是一组基于IEEE 802.15.4无线 标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术。
➢产生应用数据单元； ➢绑定及绑定服务； ➢AIB管理； ➢安全管理；
ZigBee网络设备类型
网络协调器：包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储 容量最大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、 存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。 全功能设备（FFD）：可以担任网络协调者，形成网络，让其他的FFD或是 精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。
UWB
调制方式 传输距离 传输速率 UWB技术标准 工作频段
MB-OFDM 10~20m <1Gbit/s IEEE 802.15.4a 3.1GHz和10.6GHz之间
Zigbee
什么是Zigbee技术？ “Zig”的英文含义是“之字形” “Zag”的含义是“急转, 急变” “Zigzag”的含义是“之字形跳变”
zigbee无线网络技术总结六室2010712中科院微电子研究所提纲无线传感网络概述1zigbee协议2zstack协议栈3zigbee测试4无线传感网络概述无线传感器网络wirelesssensornetwork综合了微电子技术嵌入式计算技术现代网络及无线通信技术分布式信息处理技术等先进技术能够协同地实时监测感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息并对其进行处理处理后的信息通过无线方式发送并以自组多跳的网络方式传送给观察者
《Zigbee技术》课件
《Zigbee技术》PPT课件
Zigbee技术是一种低功耗、低成本、短距离无线通信技术，广泛应用于物联网 领域。了解Zigbee技术的基本概念和应用场景是进一步学习和掌握该技术的关 键。
什么是Zigbee
Zigbee是一种面向小范围、低速率的无线网络通信技术。它基于IEEE 802.15.4标准，采用低功耗、低 数据传输率和短距离通信的方式，适用于智能家居、工业控制、传感器网络等领域。
Zigbee协议栈分为应用层、网络层、MAC层 和物理层，每一层都有具体的功能和协议， 实现高效的数据传输和网络管理。
Zigbee协议的各层功能
应用层负责应用程序的交互，网络层处理路 由和信道管理，MAC层进行低功耗通信控制， 物理层负责信号调制和解调。
Zigbee芯片
• Zigbee芯片的分类包括片上系统（SoC）和模块化芯片 • 常用的Zigbee芯片厂家有Texas Instruments、NXP Semiconductors和
Zigbee未来的发展
• 成立于2002年的Zigbee联盟致力于推动Zigbee技术的发展和标准化 • Zigbee的未来趋势包括更广泛的应用领域、更高的性能、更强的兼容性和更丰富的生态系统
Zigbee与其他无线技术的对比
Zigbee与Wi-Fi、蓝牙和Z-wave的区别
Zigbee、Wi-Fi、蓝牙和Z-wave等无线技术各有特 点，适用于不同的应用场景，比如Zigbee适合物 联网、Wi-Fi适合高速数据传输。
Zigbee的优点和劣势
Zigbee的优点包括低功耗、可靠性高、成本低等， 劣势包括数据传输速率相对较低和通信距离受 限。
Silicon Labs等
Zigbee应用
Zigbee在智能家居的应用
Zigbee技术是一种低功耗、低成本、短距离无线通信技术，广泛应用于物联网 领域。了解Zigbee技术的基本概念和应用场景是进一步学习和掌握该技术的关 键。
什么是Zigbee
Zigbee是一种面向小范围、低速率的无线网络通信技术。它基于IEEE 802.15.4标准，采用低功耗、低 数据传输率和短距离通信的方式，适用于智能家居、工业控制、传感器网络等领域。
Zigbee协议栈分为应用层、网络层、MAC层 和物理层，每一层都有具体的功能和协议， 实现高效的数据传输和网络管理。
Zigbee协议的各层功能
应用层负责应用程序的交互，网络层处理路 由和信道管理，MAC层进行低功耗通信控制， 物理层负责信号调制和解调。
Zigbee芯片
• Zigbee芯片的分类包括片上系统（SoC）和模块化芯片 • 常用的Zigbee芯片厂家有Texas Instruments、NXP Semiconductors和
Zigbee未来的发展
• 成立于2002年的Zigbee联盟致力于推动Zigbee技术的发展和标准化 • Zigbee的未来趋势包括更广泛的应用领域、更高的性能、更强的兼容性和更丰富的生态系统
Zigbee与其他无线技术的对比
Zigbee与Wi-Fi、蓝牙和Z-wave的区别
Zigbee、Wi-Fi、蓝牙和Z-wave等无线技术各有特 点，适用于不同的应用场景，比如Zigbee适合物 联网、Wi-Fi适合高速数据传输。
Zigbee的优点和劣势
Zigbee的优点包括低功耗、可靠性高、成本低等， 劣势包括数据传输速率相对较低和通信距离受 限。
Silicon Labs等
Zigbee应用
Zigbee在智能家居的应用
ZigBee技术
的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输 过程中出现问题可以进行重发。
ZigBee技术特点
(6) 安全: ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数
据包完整性检查功能,支持鉴权和认证， 采用 了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确 定其安全属性。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
应用实例
现已广泛应用于物联网产业链中的M2M行业, 如智能电网、智能交通、智能 家居、金融、移动POS终端、供应链自动化、工业自动化、智能建筑、消 防、公共安全、环境保护、气象、数字化医疗、遥感勘测、农业、林业、 水务、煤矿、石化等领域。
ZigBee技术特点
(2)成本低: ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能
降到1.5—2.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。 低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
ZigBee技术特点
(3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短, 典型的
搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设 备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于 对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。
分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输 速率, 它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续 增加。
ZigBee技术特点
(1)低功耗: 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且
采用了休眠模式, 功耗低,因此ZigBee设备非常省电。 据估算, ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长 达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望 尘莫及的。
ZigBee技术的定义
简单的说, ZigBee是一种高可靠的无线数传网络, 类似于 CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。 通讯距离从标准的75m到几百米、几公里, 并且支持无限扩 展。
ZigBee技术特点
(6) 安全: ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数
据包完整性检查功能,支持鉴权和认证， 采用 了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确 定其安全属性。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
应用实例
现已广泛应用于物联网产业链中的M2M行业, 如智能电网、智能交通、智能 家居、金融、移动POS终端、供应链自动化、工业自动化、智能建筑、消 防、公共安全、环境保护、气象、数字化医疗、遥感勘测、农业、林业、 水务、煤矿、石化等领域。
ZigBee技术特点
(2)成本低: ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能
降到1.5—2.5美元, 并且ZigBee协议是免专利费的。 低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。
ZigBee技术特点
(3) 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短, 典型的
搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设 备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于 对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。
分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输 速率, 它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续 增加。
ZigBee技术特点
(1)低功耗: 由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且
采用了休眠模式, 功耗低,因此ZigBee设备非常省电。 据估算, ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长 达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望 尘莫及的。
ZigBee技术的定义
简单的说, ZigBee是一种高可靠的无线数传网络, 类似于 CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。 通讯距离从标准的75m到几百米、几公里, 并且支持无限扩 展。
ZigBee网络层
10
在 ZigBee网络层中，采用的是分布式地址分配机 制。即每个父设备(只能是ZC 或ZR)拥有一个有限 的网络地址段，并可以从这些地址段中选择一些地 址分配给其子设备。
网络的最大深度（nwkMaxDepth）Lm、每个父设 备能最多连接子设备的数目（nwkMaxChildren） Cm、每个路由器能最多连接子路由器的数目 （nwkMaxRouters）Rm。
只有协调器节点和路由器节点才允许其他设备加入网络而在子设备加入网络过程中潜在父设备必须处于允许加入网络的过程中
ZigBee技术概述 ZigBee网络层分析 ZigBee网络层设计的实现
2
ZigBee技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低 功耗、低数据速率(小于250kbit／s)、低成本、 工作2．4GHz和868／928MHz的无线网络技术。
12
ZigBee 网络层路由功能主要包括记录最佳有效路由、 维护路由表、为上层初始化路由选择以及 路由修复。其中路由选择是根据路由成本进行度 量,路由成本为组成路由的多跳链路成本之和。
13
⒋ 树状层次路由算法
假设一个路由器向网络地址为D的目的地址发送数据 包，路由器的网络地址为A，网络深度为d。路由器 将首先通过表达式：A ＜ D＜ A + Cskip( d-1 )
用途：智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监 护等。
特点：数据传输速率低、功耗低、成本低、网络 容量大 、时延短、有效范围小、安全等。
3
网络层（NWK）是位于MAC层与应用层（APL） 之间的一个协议层。
网络层的任务是通过正确操作MAC层提供的功能 来向应用层提供合适的服务接口。为了与应用层 交互，网络层逻辑上包含两个服务实体:数据服务 实体(NLDE)和管理服务实体（NLME）。
在 ZigBee网络层中，采用的是分布式地址分配机 制。即每个父设备(只能是ZC 或ZR)拥有一个有限 的网络地址段，并可以从这些地址段中选择一些地 址分配给其子设备。
网络的最大深度（nwkMaxDepth）Lm、每个父设 备能最多连接子设备的数目（nwkMaxChildren） Cm、每个路由器能最多连接子路由器的数目 （nwkMaxRouters）Rm。
只有协调器节点和路由器节点才允许其他设备加入网络而在子设备加入网络过程中潜在父设备必须处于允许加入网络的过程中
ZigBee技术概述 ZigBee网络层分析 ZigBee网络层设计的实现
2
ZigBee技术是一种新兴的近距离、低复杂度、低 功耗、低数据速率(小于250kbit／s)、低成本、 工作2．4GHz和868／928MHz的无线网络技术。
12
ZigBee 网络层路由功能主要包括记录最佳有效路由、 维护路由表、为上层初始化路由选择以及 路由修复。其中路由选择是根据路由成本进行度 量,路由成本为组成路由的多跳链路成本之和。
13
⒋ 树状层次路由算法
假设一个路由器向网络地址为D的目的地址发送数据 包，路由器的网络地址为A，网络深度为d。路由器 将首先通过表达式：A ＜ D＜ A + Cskip( d-1 )
用途：智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监 护等。
特点：数据传输速率低、功耗低、成本低、网络 容量大 、时延短、有效范围小、安全等。
3
网络层（NWK）是位于MAC层与应用层（APL） 之间的一个协议层。
网络层的任务是通过正确操作MAC层提供的功能 来向应用层提供合适的服务接口。为了与应用层 交互，网络层逻辑上包含两个服务实体:数据服务 实体(NLDE)和管理服务实体（NLME）。
zigbee技术
紫蜂是一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流 行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流 行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、 20kbit/s和40kbit/s的传输速率。 • ZigBee是一种开放的协议，物理层（PHY）和 MAC层则采用了IEEE 802.15.4标准，而其他 上层则由ZigBee联盟自己定义。其主要特点如 下：
1．信道选择(channel select)； 2．信道能量监测(energy detect)； 3．空闲信道评估(clear channel assessment)： 4．无线信道收发数据(PHY Protocol Data Unit)； 5．接收包链路质量检测；
2.物理层协议规范
ZigBee采用了扩频通信技术，在2．4GHZ频 带上使用偏移正交相移键控调制法(Offset Quadrature Phase Shift Keying，OQPSK)， 而在868／915MHZ频带使用二进制移相键控 调制法(Binary Phase Shift Keying，BPSK)。
与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是， 紫蜂网络主要是为工业现场自动化控制数据传 输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便， 工作可靠，价格低的特点。 而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个 基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个 紫蜂网络 “基站”却不到1000元人民币。
ZigBee技术特点
ZigBee技术特点
（1）低功耗。ZigBee网络结点设备工作周期较短、收 发信息功率低，降低帧开销以及实行严格的功率管理 机制来降低设备的功耗，并且采用了休眠模式。 （2）传输可靠，抗干扰强。采用DSSS直接序列扩频技 术，以化整为零的方式将一个信号分为多个信号，抗 干扰性强。 ZigBee采用了载波侦听多址/冲突避免 (CSMA/CA) 的信道接入方式和完全握手协议。MAC 层采用了回复确认的数据传输机制， 提高了可靠性。 （3）低成本。由于ZigBee协议栈设计简练，因此，它 的研发成本相对较低。通信模块在2美元左右，蓝牙 模块在8美元左右。
1．信道选择(channel select)； 2．信道能量监测(energy detect)； 3．空闲信道评估(clear channel assessment)： 4．无线信道收发数据(PHY Protocol Data Unit)； 5．接收包链路质量检测；
2.物理层协议规范
ZigBee采用了扩频通信技术，在2．4GHZ频 带上使用偏移正交相移键控调制法(Offset Quadrature Phase Shift Keying，OQPSK)， 而在868／915MHZ频带使用二进制移相键控 调制法(Binary Phase Shift Keying，BPSK)。
与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是， 紫蜂网络主要是为工业现场自动化控制数据传 输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便， 工作可靠，价格低的特点。 而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个 基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个 紫蜂网络 “基站”却不到1000元人民币。
ZigBee技术特点
ZigBee技术特点
（1）低功耗。ZigBee网络结点设备工作周期较短、收 发信息功率低，降低帧开销以及实行严格的功率管理 机制来降低设备的功耗，并且采用了休眠模式。 （2）传输可靠，抗干扰强。采用DSSS直接序列扩频技 术，以化整为零的方式将一个信号分为多个信号，抗 干扰性强。 ZigBee采用了载波侦听多址/冲突避免 (CSMA/CA) 的信道接入方式和完全握手协议。MAC 层采用了回复确认的数据传输机制， 提高了可靠性。 （3）低成本。由于ZigBee协议栈设计简练，因此，它 的研发成本相对较低。通信模块在2美元左右，蓝牙 模块在8美元左右。
《zigbee技术》课件
《Zigbee技术》PPT课件
Zigbee技术是一种低功耗、低成本的无线网络技术，被广泛应用在智能家居、 工业自动化、医疗设备等领域。本课件将介绍Zigbee技术的概述、体系结构、 协议栈、应用开发等方面内容，并展望Zigbee的未来发展。
什么是Zigbee技术
Zigbee技术是一种基于IEEE 802.15.4标准的无线通信技术，具有自组织、自修 复和低功耗的特点。广泛应用于物联网、智能家居、工业自动化等领域。
Zigbee技术的体系结构
Zigbee技术架构
Zigbee技术采用星型和网状的网络拓扑结构，支持端到端和多对多通信。
信道和通信方式
Zigbee技术工作在2.4GHz和915MHz等无线频段，使用短距离、低速率的无线通信方式。
特性和优点
Zigbee技术具有低功耗、多设备互联、网络扩展性强、安全性高等特点。
5
APL层
应用层负责具体应用的开发和实现，包 括应用的业务逻辑。
Zigbee应用开发
开发环境搭建
搭建开发环境，包括编译器、开 发板、调试器等工具的配置。
应用开发流程
应用实现案例
从需求分析、设计到编码和测试， 完成Zigbee应用的开发过程。
通过实例演示Zigbee应用的开发， 如智能家居控制、物联网传感器。
Zigbee网络管理与安全
1网络拓扑维护源自2维护网络拓扑结构，包括路由维护、邻居
表维护等，保证网络的稳定性。
3
Zigbee设备的加入和离网管理
管理Zigbee设备的接入和退出，实现设备 的自动配置和网络的动态扩展。
安全措施与加密机制
采取安全措施保护网络的数据传输和设备 的认证，使用加密机制提高通信的安全性。
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
建立在基于IEEE802.15.4标准的协议之上。CC253X系列芯
片大致可以分为三个功能模块：CPU和内存相关的模块， 外设、时钟和电源管理相关模块，无线电相关的模块。
18 1) CPU和内存
CC253X系列芯片使用的8051CPU内核是一个单周期的
多址访问和冲突避免(CSMA/CA)的数据传输方法，并与确
认和数据检验等措施相结合，可保证数据的可靠传输。同 时为了提高灵活性和支持在资源匮乏的MCU上运行，
Zigbee支持三种安全模式。最高级安全模式采用属于高级
加密标准(AES)的对称密码和公开密钥，可以大大提高数据 传输的安全性。
9 5. 时延短
物理层、MAC层、网络层和应用层。Zigbee网络协议架构 分层如图6-1所示。
11
图6-1 Zigbee网络协议架构分层
12 Zigbee的最低两层即物理层和MAC层，使用
IEEE802.15.4协议标准；而网络层和应用层由Zigbee联盟指
定。每一层向它的上层提供数据或管理服务。Zigbee的应 用层由应用支持子层(APS)、Zigbee设备对象(ZDO)和制造
1
第6章 Zigbee网络技术
6.1 Zigbee技术概述
6.2 应用系统组成
6.3 网络拓扑和协议栈结构
6.4 应用简介
小结
2 本章目标
理解Zigbee技术的特点。
掌握Zigbee应用系统的组成。 掌握Zigbee网络拓扑和协议栈结构。
了解Zigbee技术的应用。
3 学习导航
4
6.1 Zigbee技术概述
电源电压范围宽(2.0～3.6 V)。
支持数字化接收信号强度指示器/链路质量指示 (RSSI/LQI)。
17 2. CC253X系列
CC253X系列的Zigbee芯片主要是CC2530/CC2531，它
们是CC2430/CC2431的升级，在性能上要比CC243X系列稳 定。CC253X系列芯片广泛使用于2.4G片上系统解决方案，
数据、间歇性数据和低反应时间数据)的应用。
Zigbee的基础是IEEE802.15.4，但是Zigbee并不等于 IEEE802.15.4。由于IEEE仅处理低级的MAC层和物理层协
议，因此Zigbee联盟对网络层协议和应用层进行了标准化
设定。
6 6.1.2 特点
Zigbee可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)
CC2430/CC2431是Chipcon公司(已被TI收购)推出的用
来实现嵌入式Zigbee应用的片上系统。它支持2.4GHz IEEE802.15.4/Zigbee协议，是世界上首个单芯片Zigbee解决
方案。CC2430/CC2431片上系统家族包括三个不同产品：
CC2430-F32、CC2430-F64和CC2430-F128，它们的区别在 于内置闪存的容量不同，以及针对不同 IEEE802.15.4/Zigbee，应用的成本不同。
路以及21个可编程I/O引脚。CC2430/CC2431芯片具有以下 特点：
16 高性能、低功耗的8051微控制器内核。
极高的灵敏度及抗干扰能力。
强大的DMA功能。 只需极少的外接元件。
电流消耗小(当微控制器内核运行在32 MHz时，RX为
27 mA，TX为25 mA)。 硬件支持避免冲突的载波侦听多路访问。
15 CC2430/CC2431在单个芯片上整合了Zigbee射频前端、
内存和微控制器。它内置1个8位8051内核，具有
32/64/128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转 换器ADC、定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、
32 kHz晶振休眠模式定时器、上电复位电路和掉电检测电
3. 大容量 Zigbee设备既可以使用64位IEEE地址，也可以使用指
配的16位短地址。在一个单独的Zigbee网络内，可以容纳
最多216个设备。
8 4. 可靠
由于无线通信是共享信道的，因而面临着众多有线网
络所没有的干扰和安全威胁。Zigbee在物理层和MAC层采 用IEEE802.15.4协议，使用带时隙或不带时隙的载波检测
无线传感器网络是集信息采集、信息传输、信息处理 于一体的综合智能信息系统，具有低成本、低功耗、低数
据速率、自组织网络等特点。Zigbee技术是为低速率传感
器和控制网络设计的标准无线网络协议栈，是适合无线传 感器网络的标准。
5 6.1度、低功耗、低成本的
双向无线通信技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率 不高的各种电子设备之间进行数据传输(包括典型的周期性
商定义的应用对象组成。
13
6.2 应用系统组成
Zigbee是一种短距离的无线通信技术，其应用系统由
硬件和软件组成。本节将详细讲解比较常见的Zigbee芯片
及Zigbee协议栈。
14 6.2.1 常见的Zigbee芯片
目前最常见的Zigbee芯片为CC243X系列、CC253X系
列和MC1322X系列。下面分别介绍三种系列芯片的特点。 1. CC243X系列
在无线通信中，时间的延迟也是重要的参数，Zigbee
针对时延作了优化，使通信时延和从休眠状态激活的时延 都非常短。
6. 灵活的网络拓扑结构
Zigbee支持星型、树型和网状型拓扑结构，既可以单 跳，也可以通过路由实现多跳的数据传输。
10 6.1.3 协议架构
按照OSI模型，Zigbee网络分为四层，从下至上分别为
作和休眠进行配置，从而使得系统在不工作时可以关闭射 频部分，极大地降低了系统功耗，节约电池的能量。
7 2. 低成本
Zigbee网络协议简单，可以在计算能力和存储能力都
很有限的MCU上运行，非常适用于对成本要求苛刻的场合。 现有的Zigbee芯片一般成本较低，这对于一些需要布置大
量无线传感器网络节点的应用领域是很重要的。
和915MHz(美国流行)三个频段上，分别具有最高250 kb/s、 20 kb/s和40 kb/s的传输速率，它的传输距离在10～75 m范
围内。Zigbee作为一种无线通信技术具有以下特点。
1. 低功耗 低功耗是Zigbee重要的特点之一。一般的Zigbee芯片有
多种电源管理模式，这些管理模式可以有效地对节点的工