ZigBee技术概述
ZIGBEE技术简介
ZIGBEE技术简介一、ZIGBEE是什么技术ZigBee 是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术；ZigBee 采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格；ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用层；ZigBee 的主要应用领域包括无线数据采集、无线工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制、远程网络控制等场合；ZigBee 无线可使用的频段有3 个，分别是2.4GHz 的ISM 频段、欧洲的868MHz 频段、以及美国的915MHz 频段，而不同频段可使用的信道分别是16 、 1 、10 个，在中国采用2.4G频段，是免申请和免使用费的频率。
二、ZIGBEE设备功能ZigBee 网络协调器也就是网络的中心节点；ZIGBEE 全功能设备(FFD)也就是网络中的路由或中继；精简功能设备(RFD)也就是网络中的终端节点。
三、ZIGBEE特点ZigBee 技术优势ZigBee 技术在低功耗、低成本和组网能力具有无可比拟的应用优势。
ZigBee 技术标准ZigBee 和802.15.4标准都适合于低速率数据传输，最大速率为250K，与其他无线技术比较，适合传输距离相对较近；ZigBee 无线技术适合组建WPAN网络，就是无线个人设备的联网，对于数据采集和控制信号的传输是非常合适的。
ZigBee 技术的应用定位是低速率、复杂网络、低功耗和低成本应用。
ZigBee 网络比较ZigBee 无线的传输带宽在20-250KB/s范围，适合传感器数据采集和控制数据的传输；ZigBee 无线可以组建大规模网络，网络节点容量达到65535个，具有非常强大的组网优势；ZigBee 技术特有的低功耗设计，可以保证电池工作很长时间。
ZigBee 网络结构ZigBee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树型和MESH网状网，可以根据实际项目需要来选择合适的网络结构；MESH 网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能；星型和族树型网络适合点多多点、距离相对较近的应用。
zigbee技术简介
zigbee技术简介【正文】ZigBee是一种短距离无线通信技术，广泛应用于物联网、家庭自动化、工业自动化等领域。
它以低功耗、低复杂度和低数据传输速率为特点，是一种非常适合于传感器网络的通信协议。
ZigBee技术的出现源于对传统无线通信技术的不足之处的认识。
之前的无线通信技术大多对功耗要求较高，难以应用于需要长期运行的低功耗设备。
而ZigBee技术则专注于解决此类问题，使得各种传感器和移动设备能够通过无线网络进行低耗能的通信。
ZigBee技术采用了IEEE 802.15.4标准，利用2.4GHz频段进行通信。
这一频段已经被工业、科学和医疗（ISM）设备广泛使用，因此ZigBee能够与其他设备共享频谱，提高了通信的灵活性和可靠性。
ZigBee的网络结构非常简单灵活，可以根据应用的需求组成不同类型的网络。
它采用星型拓扑结构，其中一个设备充当协调器的角色，其他设备则作为终端节点进行通信。
这种结构使得网络的建立和维护非常方便，能够适应复杂环境中的通信需求。
另外，ZigBee还采用了分散式的时间频率分割多址（CSMA/CA）机制，用于协调网络中各个设备的通信。
这种机制能够有效减少冲突和碰撞，提高数据传输的可靠性和稳定性。
由于ZigBee技术的特点和优势，它在物联网领域得到了广泛的应用。
在家庭自动化中，ZigBee可用于实现智能家居控制系统，例如灯光控制、温度调节、安防监控等。
其低功耗和低复杂度的特点使得设备能够长时间运行，并且与其他无线设备无缝集成。
在工业自动化中，ZigBee技术也具备适应复杂环境的能力。
它可以用于监测温度、湿度、压力等参数，并将数据传输到上位机进行处理和分析。
同时，ZigBee技术的数据传输速率虽然不高，但足以满足大部分传感器网络的需求。
尽管ZigBee技术具有众多的优点，但也存在一些局限性。
由于其低数据传输速率，不适用于高带宽的应用场景。
此外，2.4GHz频段的使用会受到其他设备的干扰，造成通信质量下降。
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技术简介
Zigbee技术简介Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。
它此前被称作“HomeRF Lite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线连接。
它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。
这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。
最后，这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如WiMax收集。
Zigbee的基础是IEEE802.15.4这是IEEE无线个人区域网(Personal Area Network，PAN)工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4(Zigbee)技术标准。
Zigbee不仅只是802.15.4的名字。
IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟对其网络层协议和API进行了标准化(如下图2所示)。
完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。
每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。
Zigbee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。
Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分:*数据传输速率低:一般在10kbps～250kbps，传输速率低，专注于低传输应用;*功耗低: 工作状态下平局功耗在几十毫瓦，休眠状态1μw。
在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。
这也是Zigbee的支持者所一直引以为豪的独特优势;*成本低:因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。
且Zigbee协议免收专利费。
*时延短:通常时延都在15毫秒至30毫秒之间;*安全:Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性;*网络容量大:每个Zigbee网络最多可支持255个设备（最大节点数达6万以上），也就是说，每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接;*优良的网络拓扑能力:ZigBee具有星、树和丛网络结构的能力。
ZigBee技术
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。
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以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传一、技术简介蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息，这种肢体语言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。
借此意义Zigbee 作为新一代无线通讯技术的命名。
在此之前ZigBee也被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，统称为ZigBee。
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是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。
与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee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ZigBee“基站”却不到1000元人民币。
每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。
除此之外，每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。
二、技术特点ZigBee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，它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。
zigbee技术
1.ZigBee技术介绍1.1.什么是ZigBeeZigBee又叫紫蜂，是一种低功率无线电通信的开放标准，包括强大可靠的网络协议，安全服务和应用层，以确保设备间的互操作性。
ZigBee标准支持16个在全球范围内免许可证的2.4 GHz频段通道，通道数据传输速率达250kbps，同时也支持868/915MHz频段。
ZigBee技术是随着工业自动化对于无线通信和数据传输的需求而产生的，Zigbee网络省电、可靠、成本低、容量大、安全，可广泛应用于各种自动控制领域。
ZigBee强大的网络协议栈提供全网状路由功能，包括自动路由发现和修复，在不可预知的城市环境中，该功能对于网络的长期运作具有关键的作用。
ZigBee的超低能耗性能支持在非路由连接终端设备上使用电池进行长时间供电。
ZigBee还提供行业审查商业级的安全算法，它结合网络层和数据链路层（节点到节点）的公共密钥加密算法与密钥更新算法，以确保可靠的无线网络安全。
由于ZigBee设备易于安装和维护，既可靠又安全，并能够提供较长的电池寿命和高度可扩展的网络（成千上万的设备），同时可满足嵌入式设备较高的成本控制要求，ZigBee 标准越来越多地被用于连接设备到设备的传感器和控制应用程序。
1.2.ZigBee的应用范围1.3.主流无线通信技术的比较注：(1)单个子网最大节点数为理论值；(2)384Kbps为EGPRS理论传输值；(3)通信距离均为可视距离。
1.4.ZigBee技术的优势●低成本：使用ISM频段，无需申请License，无需缴纳专利费；●超低功耗：支持电池供电运行数年时间；●复杂性低，网络协议简单；●组网简单：自组网和自动路由功能使得网络的构建和维护变得十分容易；●稳定性高：网状网络提供高冗余通信路径，具备路由自动修补和优化能力，保证网络稳定可靠；CSMA/CD技术和重发确认机制确保了网络内数据通信的稳定性；●高安全性：提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用通用的AES-128位加密算法；●兼容性：开放的标准使不同供应商的产品可以很容易实现互联互通；国际通用的免费频段使产品准入更为简单；●响应速度快：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短●网络容量大：单个子网可管理多达65535个节点。
ZigBee技术简介
①低功耗。在低耗电待机模式下,2 节 5 号干电池可支持 1 个节点工作 6～24 个月,甚至更长。这是 ZigBee 的突出优势。
②低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的 1/10) ,降低了对通信控制器的要求,按预测分析,以 8051 的 8 位微控制器测算,全功能的主节点需要 32KB 代码,子功 能节点少至 4KB 代码,而且 ZigBee 免协议专利费。每块芯片的价格大约为 2 美元。
MAC Layer
IEEE 802.15.4
2.4GH
PHY Layer
868/915
Silicon
麓源电子科技有限公司
第5页
ZigBee Stack
Application
Lustech
四、 ZigBee 联盟
ZigBee 联盟是一个高速增长的非牟利业界组织, 制定网络、安全和应用软件层；提供不同产品的协调性及互通性测试规格；在世界各地推广 ZigBee 品牌并争取市场的关 注；管理技术的发展。ZigBee 联盟的主要目标是以透过加入无线网络功能，为消费者提供更富弹性、更易用的电子产片。ZigBee 技术能融入各类电子产品，应用范围横跨 全球民用、商用、公用及工业用等市场。生产商终于可以利用 ZigBee 这个标准化无线网络平台，设计简单、可靠、便宜又省电的各种产品。成员包括国际著名半导体生产 商、技术提供者、代工生产商以及最终使用者。成员正制定一个基于 IEEE802.15.4、可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。目前超过 200 家成员公司正积极进行 ZigBee 规格的制定工作。 当中包括 7 位推广委员， 半导体生产商、 无线技术供应商及代工生产商。 7 位推广委员分别为： Honeywell， Invensys， Mitsubishi， Motorola， Philips， Samsung。
ZigBee技术
放机和其他家电设备进行遥控。 （10）用于计算机外设，如键盘、鼠标、游戏控制器及打印机。 （11）有源RFID应用，如电池供电标签，可用于产品运输、产品跟踪、
交换数据的网络中的设备类型：协调器、路由器和终端设备。
与移动通信的CDMA或 GSM网络不同的是，ZigBee 网络主要是为工业现场自动 化控制数据传输而建立的， 因此它必须具有简单、使用 方便、工作可靠、价格低的 特点。
图4-3 ZigBee模块
ZigBee技术
三、ZigBee采用的自组织网通信方式
物联网
ZigBee技术
一、ZigBee概述
Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词，根据这个协议规定的技术 是一种短距离、低功耗的无线通信技术。
ZigBee联盟是一个高速增长的非盈利业界组织
ZigBee联盟的主要目标是通过加入无线网络功能，为消费者提供 更富弹性、更易用的电子产品。
二、ZigBee无线数据传输网络描述
3）时延 由于ZigBee采用随机接入MAC层，且不支持时分复用的信道接
入方式，因此不能很好地支持一些实时的业务。 4）能耗特性（技术优势 ）
ZigBee技术
5）组网和路由性（即网络层特性）
ZigBee具备大规模的组网能力，每个网络有60 000个节点； 而蓝牙为每个网络8个节点。
六、ZigBee自身的技术优势
举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人 持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网 络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联 互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生 变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络 ，对原有网络进行刷新。这就是自组织网。
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董大城
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ZigBee的概念
ZigBee是一种新兴的短距离、 低复杂度、低功耗、低数据速率、 低成本的无线网络技术。 主要用于近距离无线连接。它 依据IEEE 802.15.4标准，在数千个 微小的传感器之间相互协调实现通 信。
ZigBee无线网络主要是为工业现场自动化控制数据传输 而建立。因此它具备简单、方便、稳定和低成本等特点。
•星型结构
•树型结构
•网型结构
•路由器
•协调器
•终端设备
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ZigBee基本概念
这三种类型都包含一个协调器节点和一系列终端 设备节点。
星形： 簇树： 网状：
星形拓扑结构是最简单的一种拓扑形式，每个终端设备节点只能和协 调器节点进行通信。缺点是节点之间的数据路由只有唯一路径，使协调器 有可能成为整个网络的瓶颈。 该拓扑结构协调器的子节点也能连接一系列的路由器和终端设备（兄 弟节点与堂兄弟节点）。缺点是信息只有唯一的路由通道。 结构与簇树状相似，但是具有更加灵活的信息路由规则，路由节点之 间有可能可以直接通信。而且一旦一条路由路径出现问题，信息可自动沿 着其他路径传输。
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14.1.1 802.15.4和ZigBee区别
802.15.4是 IEEE 组织制定的低速率、无线个人局域网 标准，定义了物理层和节制访问控制层，目标是为在个人 操作空间内相互通信的无线通信设备提供标准，旨在为个 人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一标准。
ZigBee标准是在 IEEE 802.15.4 标准的基础上发展而 来的，旨在确定不同应用制造商之间共享一套标准。
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ZigBee协议
国际电子电机工程协会（IEEE）所制订的802.15.4标准，定义了 物理层（PHY Layer）及媒体存取层（Media Access Control Layer； MAC Layer）。
ZigBee依靠7层OSI开放系 统互连参考模型来建立。该标准 的协议框架结构如右图所示； 在802.15.4基础上还定义了 网络层和应用层。
1、ZigBee路由基本算法 ZigBee网络的协调器与路由器通常支持以下路由操作。 （1）在路由查找及修补时，使用ZigBee路径损耗度量。 （2）维护路由表以记录最佳的可利用路径。 （3）为应用层初始化路由查找。 （4）为其他路由器初始化路由查找。 （5）初始化端到端路由修补。 （6）为其他路由器初始化本地路由修补。
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ZigBee网络路由的实现
2、路由方式
路由的设定通常有以下3种模式。 （1）禁止路由发现（Suppress）。 是，数据包指向该路由器。 网络路由器存在否｛ 否，数据包沿着树形推进。 （2）使能路由发现（Enable）。
是，数据包指向该路由器。当不能确定路由器，启动路由发现过程
网络路由器存在否｛ 否，数据包沿着树形推进。 （3）强制路由发现（Force）。小心使用，产生网络冗余，用于修复。 路由器如有路由发现功能，则启动路由发现过程，发现完成后，数据 沿着计算出来的路由前进。
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ZigBee的网络拓扑结构
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网络设备类型
ZigBee网络中有三种设备类型：协调器、路由器以及终端设备。
•终端设备
•路由器
•协调器
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ZigBee基本概念
设备类型:
Coordinator(协调器)
协调器负责启动整个网络。它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信 道和一个网络 ID(也称之为 PAN ID，即 Personal Area Network ID)，随后 启动整个网络。
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ZigBee协议栈中的术语
绑定(Binding)
ZigBee定义了一个称为端点绑定的特殊过程。绑定即在源节点的某 个端点（ EndPoint）和目标节点的某个端点之间创建一条逻辑链路。
绑定允许应用程序发送一个数据包而不需要知道目标地址。APS层 从它的绑定表中确定目标地址，然后将数据继续向目标应用或者目标组 发送。
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ZigBee数据传输机制
数据传输的确切机制随网络类型的不同而 有所不同。 终端设备必须查询协调器以获取其数据， 而不是保持接收器开启，从而降低功耗。 所以终端设备大部分时间处于休眠状态， 则协调器将会保存大量的数据帧到内部缓 存中，大幅增加协调器RAM的需求。
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ZigBee网络路由的实现
属性(Attribute)
Attribute是一个反映物理数量或状态的数据实体，比如开关值（ On/Off） ,温度值、百分比等，通过命令可以传递给其他设备。
簇(Cluster)
Cluster是使用属性的命令结构体中的一个或多个属性的容器。
终端(EndPoint)
EndPoint是协议栈应用层的入口，它是为实现一个设备描述而定义的 一组群集。每个ZigBee设备可以最多支持240这样的端点，这也意味着在 每个设备上可以定义240个应用对象。端点0被保留用于与ZDO接口而端 点255被保留用于广播，端点241-254则被保留用于将来做扩展使用。
4ZigBee协议1、 Nhomakorabea理层定义了无线信道和MAC子层之间的接口，提供了物理层数据 服务和管理服务。物理层数据服务从无线物理信道上收发数据，管理 服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。
物理层能实现如下功能: （1）激活和休眠射频收发器 （2）对当前信道进行能量检测 （3）对收发的包进行链路质量指示 （4）收发数据和空闲信道评估
Router(路由器)
路由器的功能主要是：允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的 由电池供电的儿子终端设备的通讯。
End-Device(终端设备)
终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它 可以可以是一个电池供电设备。
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网络拓扑结构
ZigBee网络中有三种类型的拓扑结构：星型、簇树形以及网状。
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ZigBee的工作频段
ZigBee可使用的频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频 段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不 同频段可使用的信道分别是16、1、10个。
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ZigBee协议
2、介质访问控制层 （MAC）
MAC层提供两种服务：MAC 层数据服务和MAC层管理服务。前者 保证MAC层数据协议单元在物理层数 据服务中的正确收发，后者维护一个 存储MAC子层协议状态相关的数据库。
1、网络负载问题 假如终端设备节点加入网络路由过程无约束和无组
织，会导致不同路由设备所加入的终端设备数量差距巨 大，进而使需处理的数据和时间差距也巨大，会出现严 重的网络负载不均衡现象。
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ZigBee网络的自适应机制
ZigBee网络的自适应机制是为了解决网络的负载平衡。
①网络形成时的网络负载均衡
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ZigBee网络路由的实现
3、路由过程 路由的过程主要包括以下4个步骤。 （1）一设备发出路由请求命令帧，启动路由发现过程。 （2）对应的接收设备收到该命令后，回复应答命令帧。 （3）对潜在的各条路径花费进行评估比较。 （4）最佳路由记录添加到此路径上各个设备的路由表。
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ZigBee网络的自适应机制
｛
②网络形成后的网络自我调节负载
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ZigBee网络的自适应机制
2、均衡过程
最小值
建立网络过程时，中心设备封闭所有主设备的终端 设备加入信号，计算路由设备的数据总量并存储。每次 让终端设备加入其数据量最小的路由设备。 在网络建立后，通信过程中设置定时器，定期反复 扫描搜索通信数据值，决定终端设备的加入与脱离。
（1）配置文件(Profile)
Profile可以理解为共同促成交互式应 用的多个设备描述项的集合。 ZigBee联 盟已经定义了部分标准的配置文件，比如 远程控制开关配置文件和光传感器配置文 件等。 用户也可以创建自己的配置文件然后 递交ZigBee联盟测试、审核批准。
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ZigBee协议栈中的术语
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ZigBee协议
３、网络层
需要提供保证 IEEE 802.15.4 MAC子层正确的操作函数，并为 应用层提供服务接口。
４、应用层
应用层是ZigBee协议栈的 最高层。应用层主要负责把不同的 应用映射到ZigBee网络。应用层包 括应用支持层、ZigBee设备对象和 应用对象。
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ZigBee协议栈中的术语