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【摘要】本文主要分析了Zigbee协议栈，着重介绍了协议栈的物理层、MAC层、网络层、应用层的体系结构，以及服务原语的传输方式，从而实现物联网数据传输。

【关键词】Zigbee协议栈；数据报文；服务原语

1概述

随着科学技术的不断发展，人们迫切希望发达的科学技术能够带动生活品质和生产效率的提升，目前，在日益发展和壮大的互联网的基础上，通过近距无线通信技术、射频技术和传感技术的物联网也正快速地发展起来。物联网的具体实现，实际上是通过物体设备之间的数据传输、交换，而后依赖于互联网将数据最终发送到各个网络重点上，从而实现万物之间的数据通信，而在此其间，ZigBee协议成为实现物体设备之间传输的关键所在。ZigBee协议是属于近距无线通信协议，其起身具有成本低、耗能小、速率低、可嵌入、灵活等特性，对于构建物联网是非常方便和快捷。所以对于ZigBee协议栈的研究与学习，对于熟练应用ZigBee协议，从而快速、高效、准确地构建物联网来说具有非常重要的实用价值。

2ZigBee的协议栈

2.1ZigBee协议栈的体系结构

ZigBee协议栈是实现物联网数据通信和传输的基本协议，从最底层的物理层数据传输到最上层的ZigBee设备应用层的具体数据处理实现，ZigBee协议栈都进行了具体的详细规定。如图1所示，为ZigBee协议栈的从物理层、MAC层、网络层最后到应用层的体系架构图。

如图1所示，ZigBee协议借鉴了互联网传统的7层协议结构图，自身定义了物理层、MAC层、网络层、用层的具体功能、传输数据的处理和传送规则等，从而实现物理设备与物理设备之间、物理设备与网络设备之间的数据传输。

摘要:本文首先介绍了Zigbee技术的拓扑结构,然后详细描述了簇树结构下的簇树协议的实现方法,包括簇头的形成和簇树路由过程。

关键词:Zigbee;簇树协议;路由

1 引言

Zigbee是一种短距离、低速率的无线传感器网络的技术标准,其PHY层和MAC层协议为IEEE802.15.4协议标准,主要特性是低速率、近距离、低功耗、低复杂度和低成本。

目前,Zigbee技术已经应用于智能家居、工业控制、手机移动终端等领域,但主要还是限于Zigbee技术的无线个域网(WPN)应用,每个接入点所能接纳的传感器节点数远远低于协议所称的255个。为了达到传感器网络密集覆盖的目的,必须进行复杂的组网,这不仅增加了传感器网络的复杂性,还增加了网络整体的功耗,传感器节点的寿命大大降低。本文描述了簇树形拓扑结构的Zigbee传感器网络构建过程,并给出在簇树拓扑结构中的簇树协议的详细分析。

2 Zigbee的簇树结构

IEEE802.15.4无线个域网定义了三种拓扑结构:星形、网状和簇树拓扑。在Zigbee的个域网里,必须有一个PAN协调器(PNC)。每个独立的PAN有一个唯一的标识,即PAN id(PID)。临近区域内的节点构成了一个簇,每个簇有且仅有一个簇头(CLH),CLH是簇内协调器,负责管理该簇和簇标识(CID),CID是簇内所有设备共享的ID号。相邻的簇头又循环构成了另一个簇,这样依次反复,构成了一个簇树形结构的传感网络,簇树拓扑提高了Zigbee网络的覆盖区域。BRD是直接连接邻居簇的簇头的节点。Zigbee的簇树结构如图1所示

3 簇树(cluster tree)协议分析

摘 要：随着网络技术的逐步成熟，无线传感器时代的到来，从而也致使了无线传感网络技术成为了近几年的一个技术热点。在网络设备中嵌入一个标准化的网络协议，可以提高网络之间的互联，提高网络之间的流通强化资源共享的效率。本文基于无线传感网络的特点，重点分析了ZigBee协议的结构特点，以及ZigBee协议的无线传感协议的前景应用方式。

关键词：ZigBee协议；无线传感器；网络协议

作为互联在形式上面的扩展，其主要发展的主要技术分别是：传感器、嵌入式自动化只能技术、RFID以及纳米技术。而作为物联网当中一项关键性的技术――无线传感器网络，对其的研究已经逐步成为了目前计算机领域当中的一个热点，它不仅在生产生活，还是在医学军事方面的应用都相当的广阔。但是随着计算机技术的快速发展，目前各种无线传感器网络都是如雨后春笋板出现，这样一来就不利于各个网络之间的网节点互联以及网络之间的管理。

ZigBee协议的出现标准的规范了网络直接的节点互联以及网络之间的管理，有效的解决了网络拓展之间存在的问题。

1 无线传感器网络的简介

无线传感器网络（Wireless Sensor Network， WSN）是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域或者是区内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。它综合了网络技术的方方面面，并通过了无线网的传感实现了无处不在的运算理念。图1为无线传感网络的结构示意图。

由于传感器一般情况下都是嵌入到各个电子设备当中，外加监测区域环境往往比较复杂，传感器的网络节点非常多，导致了网络的维护十分麻烦甚至就是不能进行维护。因此，导对于无线传感器的设计要做到网络容量要大，传感器体积小，消耗低等特点，以实现自组网络的动态性，并且还要加强无线传感器的网络安全，在无线信道上分布式的控制传感器所受到的攻击。

2 Zigbee协议概述

【摘要】电力配网设备由于位置分布复杂，有线通信线路难以敷设。ZigBee无线标准作为一种新颖的短程无线标准，具有自愈性、成本低等优点，在电力配网有较强的适用性。但由于ZigBee的路由协议是按较大动态变化的移动无线网络设计，必须予以改进以满足电力配网通信业务的特点。为此，本文分析了ZigBee的路由协议，并针对电力配网的特点提出了3点改进。改进后的ZigBee路由协议能充分满足配网通信的需要。

【关键词】电力配网ZigBee路由

一、引言

电力配网是指电网以10kV电压等级向用户供电的网络，其一次设备和供电线路较为简单。目前，配网的通信业务主要有自动化远动和集中抄表两种，均有低速业务。但由于配网设备的分布位置复杂，有相当部分分布在高层建筑或地下室中，有线通信线路的敷设相当困难。为减低配网通信网络的建设成本，并使其具有一定的自愈功能，Zigbee无线标准是一种具有竞争力的候选技术。本文首先对ZigBee的路由协议进行了分析，然后在ZigBee路由协议的基础上针对配网的特点提出了3点改进。改进后的ZigBee路由协议能充分满足配网通信的需要。

二、ZigBee现有的路由协议

ZigBee标准是ZigBee联盟在IEEE 802.15.4的物理层基础上定义的网络层标准，分别有zigbee2004、2006和2007三个版本。作为一个完整的网络层标准，Zigbee的路由协议是其中的核心部分。Zigbee的路由协议具有从简单到复杂的三种算法，AODV、Cluster-Tree和AODV加Cluster-Tree的混合算法。

1、AODV算法

AODV算法是一种“按需建立”的路由算法，当终端需要发送数据时，向就近的路由器发送请求。路由器通过广播，找到目的网络的所在位置，再更新路由表，从而建立起所需的路由。当终端某次数据发送而建立的路由超过规定的生存时间时，该条路由将被释放。

摘 要：无线通信网关利用CC2530单片机作为核心模块，与Sim300GPRS通讯模块配合完成了ZigBee/GRPS

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[12]杨君，詹林.基于ZigBee无线传感网络的井下定位系统[J].计算机与现代化，2013（9）：160-162.

[13]包长春，石瑞珍，马玉泉，等.基于ZigBee技术的农业设施测控系统的设计[J].农业工程学报，2007，23（8）：160-164.

[14]郭爱煌，李广宇，陈志雄.基于GPRS的无线数据传输嵌入式系统设计[J].计算机工程，2009，35（18）：260-262.

[15]高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程：基于CC2430/31的无线传感器网络解决方案[M].北京：北京航空航天大学，2009：7.

[16]德州仪器.CC2530芯片数据手册[EB/OL].2009.

[17]SIMCOM有限公司.SIM硬件接口描述[EB/OL]. [2005.12]

摘 要在信息时代，无线通信网络与人们的生活息息相关。ZigBee技术在实际应用过程中表现出低能耗、低数据传输速率、低成本等特点。这一技术的规范和应用仍在不断的完善与发展之中。本文主要对ZigBee网络路由协议的性能问题进行了探究。

【关键词】ZigBee网络 路由协议 性能

随着信息技术和移动通信技术的快速发展，让无线通信技术在各行各业得到了广泛的应用。组网灵活、使用方便是无线传感器网络在实际应用中表现出来的主要特点。ZigBee协议的出现，可以让传统无线协议对无线传感器的适应问题得到有效解决。

1 ZigBee协议的概述

ZigBee技术不仅功耗、成本和速率均比较低，而且便于操作使用。而IEEE 802.15.4标准具有数据传输率低、成本少、功耗低等特性，其最终目标就是为家庭或个人范围内各种设备之间的低速互连提供一个统一的标准。为了保证所制定出的应用层与网络层的规范能够匹配IEEE802.15.4标准，ZigBee规范成为ZigBee联盟中不可缺少的因素。在与之有关的LR-WPAN网络中，IEEE802.15.4标准编制了以下两种要素：

（1）系统的媒体接入控制子层；

（2）系统的物理层协议规范。

ZigBee联盟在这一前提下，所构建的应用层与网络层协议相关的规范构成了ZigBee协议。简言之，ZigBee协议是为适应IEEE802.15.4标准而构建的网络层与应用层协议规范。其中，协议规范可以由以下几方面因素组成：

摘 要：ZigBee是一种标准，ZigBee联盟在IEEE 802.15.4定义的物理（PHY）层和媒体访问控制（MAC）层基础之上制定的一种低速无线个域网技术规范，规定了PHY协议的功能及如何与MAC层交互。讨论PHY服务机制及PHY服务的实现原理。

关键词：ZigBee；PHY服务；原语；MAC层

中图分类号：TN91 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）06-00-02

0 引 言

ZigBee无线网络协议层基于国际标准化组织（ISO）和开放式系统互联（OSI）基本参考模型。ISO/OSI模型有7层，但ZigBee仅保留了对于组建低功耗、低数据率的无线网络所需的功能层。物理层和媒体接入控制协议是在IEEE 802.15.4中描述的低速率无线个人局域网，在其定义的物理（PHY）层和媒体访问控制（MAC）层基础上制定的一种低速无线个域网（LR-WPAN）技术规范，所以ZigBee协议栈的物理（PHY）层和媒体访问控制（MAC）层是按照IEEE 802.15.4标准规定来工作的，网络（NWK）层和应用（APL）层由ZigBee标准定义[1]。

1 PHY概述

IEEE802.15.4协议描述中分别有2.4 GHz物理层和868/9l5 MHz物理层两个物理层标准，数据传输速率高达250 kb/s。两个物理层使用的传输方式都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频），简称直扩方式（DS方式），在物理层使用相同的数据包格式，其低功耗、低成本的优点使它在很多领域获得了广泛的应用[2]。在于调制方式、工作频率、扩频码片长度和传输速率方面有所区别。2.4GHz频段申请的ISM频段在全球范围内无需统一申请，有利于ZigBee设备降低生产成本和市场推广；另外通过采用高阶调制可以达到250 kb/s的传输速率，从而获得极小的通信延时、极短的周期以及更大的吐吞量，从而ZigBee网络中的终端节点更加节电。欧洲的ISM频段是868 MHz，美国的ISM频段是915 MHz，引入868 MHz及915 MHz这两个频段可以使2.4 GHz附近的无线通信设备在不互相影响的条件下发出各自的频率。这两个频段在无线信号传输过程由于表现出小损耗特点，因而拥有极广的通信范围，可以适当降低接收机的灵敏度而不改变传输质量，从而在给定区域用较少设备进行有效覆盖。

2 PHY服务机制

摘要：本文详细探讨了使用无线网络分析器调试ZigBee协议系统的基本方法，从而便于更好地确保网络的可靠性。

关键词：无线网络分析器；ZigBee；802.15.4

短距离无线网络市场正呈爆炸性增长。In-Stat称，通过ZigBee协议规范和其他专有协议，到2009年IEEE 802.15.4无线个人局域网(PAN)的市场可实现200％的增长，年发货量将超过1,5000万单位。

对于无线设计人员而言，目前有许多射频(RF)收发器和ZigBee协议栈可用来在应用中实现ZigBee协议功能。无论选择了哪种收发器和协议栈，设计工程师都应该查找能够帮助他们快速评估和开发ZigBee协议应用的设备和工具。若已确定ZigBee协议的复杂度，那么设计人员也需要使用合适的开发工具来帮助他们设计和调试应用程序。

有多个无线网络分析器或“嗅探器”可供使用。在您首次：开始无线开发时，获取一个无线网络分析器是一项关键性投资，可为您免去许多麻烦。有些分析器具有图形界面，而有些分析器则具有更为基于文本的界面。请确保选择的分析器具有易于阅读的界面。在以下示例中，我们将使用Microchip的ZENA无线网络分析器，它采用图形的格式显示消息。但是不管您选择了哪种分析器，能够快速解密ZigBee协议消息的密钥部分将有助于您高效地开发和调试系统。

网络构成

设备加入ZigBee协议网络时出现的消息会告诉我们许多关于网络的信息。当设备试图加入一个网络时，它会发出一个信标(beacon)请求。邻近的协调器或路由器通过发出信标作出响应。新设备将选择一个信标，然后向该设备发送一个关联请求，请求加入网络。在一段短暂延时后，新设备发送一个数据请求，请求响应。网络设备则发送一个关联响应，指示该新设备是否已被网络接受。这些消息显示如图1。

第一条消息来自于新设备，用于请求信标。后两条消息是信标。我们可以从这些信标中知道一些关于设备的有用信息。首先，我们可以知道第二条信标来自于协调器，因为其源地址为0x0000且信标有效负载中指定的深度为0。第一条信标来自于路由器，因为其源地址非零。我们也可以知道此路由器会通过该协调器加入网络，因为它在同一个网络上(源PAN是相同的)且信标有效负载“深度”为1。我们还可以知道在应用层，这两个设备都将接受新设备加入网络，因为超帧规范“Assoc”位被置1。但是，如果我们查看信标有效负载，我们可以看到协调器不能接受任何其他路由器或终端设备加入网络，因为“RtrCap”和“DevCap”位均为0。同时，路由器仍然可以接受路由器和终端设备。

摘要：Zigbee为一种低延迟，低功耗，低成本和高可靠性的无线网状组网标准，有效满足传感器网络的要求，在工业监控、野外侦测、目标监控等领域具有广泛的应用前景。该文介绍和分析了Zigbee协议栈，给出了其整体系统结构，重点介绍了Zigbee标准物理层中的频段和通用规范，以及媒体访问控制层中的信道扫描技术和帧结构。

关键词：无线传感器网络；ZIGBEE技术；协议栈；物理层；数据链路层

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）18-4220-03

Zigbee为一种标准化的无线通信技术，以满足无线传感器网络低成本、低功耗的需要[1]。它是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案，主要应用于短距离的无线连接。Zigbee作为新兴的短距离无线通信技术，正有力地推动低速率个人区域网络的发展。它以灵活、机动的组网方式，使用CSMA/CA信道接入机制，以及数据确认和加密机制，网状多路径数据传输，使得Zigbee技术自正式推出以后，就得到科学和商业的广泛关注[6-7]。正如Zigbee联盟主席所说，Zigbee技术是无线传感器网络最好的选择[2-3]。

Zigbee协议栈与传统的计算机体系结构一样，通过层来量化它的各个简化标准，每层负责执行该层特定的功能，同时为上层提供服务。其协议栈体系结构如图1所示：物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）由IEEE802.15.4[4-5]协议标准提供。IEEE802.15.4标准致力于提供一种低复杂度、低成本、低功耗和低速率的无线通信技术，对信道选择、能量检测、链路质量、清除信道评估（CCA）、信标管理、信道接入、时隙管理、发送连接与断开连接等进行了规范。IEEE802.15.4标准定义了两种网络设备：精简功能设备（RFD）和全功能设备（FFD）。FFD具有路由能力，在点对点拓扑网络中可与任意节点进行通信；RFD功能有限，不管在何种网络拓扑结构中只能与其父节点FFD设备进行通信。网络层与应用框架层由Zigbee联盟制定，对网络建立、设备的连接与断开、帧安全机制，设备对象等进行了规范。Zigbee标准在IEEE802.15.4标准的基础上定义了三种网络设备：协调器设备（ZC）、路由器设备（ZR）和终端设备（ZED）。应用框架层为Zigbee技术的实际应用提供一些应用框架模型，用户可根据自己的应用需求来开发应用。各层协议标准的特性将在后面章节详细介绍。

1 物理层概述

IEEE802.15.4标准详细说明了使用的无线频段、物理层和MAC层。针对不同的国际和地区，Zigbee技术允许其使用不同的工作频率。IEEE801.15.4工作在3个不同的ISM频段：2.4GHz（全球通用频段）和868/915MHz。3个频段共规范了27个物理信道，其中2.4GHz频段定义了16个信道，915MHz频段定义了10个信道，868MHz频段定义了1个频段。对于各个国家和地区采用的工作频率范围的不同，为提供数据的传输速率，IEEE802.15.4标准针对不同的频率范围规定了不同的调制方式。因而在不同的频率段中，其数据传输速率不同，具体调制方式和传输速率如表1所示。

Zigbee技术对发射功率也进行严格的规范，遵照不同国家和地区制定了不同的最大发射功率，发射功率范围为0～10dBm，其通信距离为10～300m。在误码率小于1%的条件下，Zigbee的接收灵敏度为-85dBm。为适应低速率、低功耗的无线通信传输，IEEE802.15.4标准物理层定义了适用于3个频段的通用规范，包括以下三类：

摘 要：随着现在经济的发展以及科学技术的进步，对于资源与环境的要求成正比不断地上升，特别是近几年，我国的室内建设不断扩大范围，根据现在的室内建设发展背景，设计一种基于现在的Zigbee无线传感器网络下的监控系统，其研发主要应用在监控范围内，实行远程监控。这种技术在我国的建设管理中起着重要的控制与监督作用，并且对室内的环境变化以及突发的各种情况等进行详细监控，实现对室内的远程操控。

关键词：Zigbee协议 远程监控系统 设计研究

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）09（b）-0014-03

我国在近几年科学技术发展非常迅速，特别是物联网技术，不仅发展迅速并且应用的范围非常广。这种远程操作系统的设计主要采用的是将硬件中的物联网技术与无线传感技术相结合，将ZigBee中传感器作为主要的中心点与采集点；利用相关的系统理论以及控制计算方式等进行管理与核算。根据相关资料中显示这种技术对于室内的监控效果非常明显，并且将室内监控等进行了提升。文章主要针对这种ZigBee协议的远程监控系统设计与研究等方面进行详细分析，并且根据相关的技术分析等对其进行详细描述与介绍。

1 Zigbee技术

在我国现在的经济发展背景下，物联网已经逐渐成为生活中重要的一项新兴科学技术，尤其是这几年发展范围已经扩展到全世界，成为促进经济以及科学技术发展重要的推动力。文章所讲到的Zigbee技术主要是在全面适应无线传感器条件下将其设计的成本降低、并且耗费能量比较小、拥有高容错性的一种科学技术。Zigbee技术的研发主要依据是IEEE 802.15.4。当然这种技术并不是完美无瑕的，针对这样的现象，在此基础技术上逐渐进行技术升级，衍生出IEEE更高一级的网络运行协议并对API等相关的技术进行了规范化的整理。具体来讲，这种Zigbee技术主要是一种针对短距离以及周围速率比较低的情况下设计的一种无线网络技术。

无线传感器中使用的网络连接点需要将其中掌握的数据相互之间进行交流，主要包含：MAC层、路由器以及连接网络接口层与传感的应用层，当然若是单单使用传统的无线连接或是传统协议，已经不能很好地满足无线传感器的相关要求。基于这样的基础，逐渐发明了Zigbee协议，这项协议产生的基础是在IEEE 802.15.4的条件下。Zigbee在我国是一种新型的科学控制监督技术，同时文中也提到其自身短距离以及低速率的优点为现在的监控技术提供了新的发展空间。其有自身规定的协议以及使用标准，并且在很多比较小的振动与传感器之间相互实现传感以及联系，并且这些传感器在工作期间只需要使用比较少的能量就可以实现网络上的连接与通信，从整体上来讲这种技术在网络连接以及通信方面工作的效率非常高。Zigbee技术的组成主要是由无数个无线传播的模块共同组成的一种无线传播平台，并且这种组成模式与现实中的通信技术非常相似，不同的Zigbee传输模块就好比通信中的CDMA网络，是通信联系中的一个基点，通过各个基点之间可以使他们相互进行联系，逐渐形成一种网络体系，实现网络上的连接。

2 远程监控系统的工作原理以及结构设计