本文介紹了ZigBee的協(xié)議框架、各層的功能及ZigBee無線網絡的組成，闡述了基于Ember公司EM250片上系統(tǒng)的無線傳感器網絡解決方案，對系統(tǒng)的硬軟件組成及設計進行了仔細的說明。

ZigBee協(xié)議框架

ZigBee協(xié)議是一種低成本、低功耗、低速率嵌入式設備互相間及與外界網絡通信的組網解決方案，它是ZigBee聯(lián)盟基于IEEE 802.15.4技術標準物理層和媒體訪問控制層（MAC層）協(xié)議對網絡層協(xié)議和API進行標準化而制定的無線局域網組網、安全和應用軟件方面的技術標準

ZigBee協(xié)議棧結構如圖1所示

ZigBee協(xié)議物理層和媒體訪問控制層采用了IEEE 802.15.4 2003協(xié)議規(guī)范物理層無線頻段為全世界通用的 2.4GHz、歐洲適用的868MHz、美國適用的915MHz，使用直接序列擴頻技術，提供27個信道，20Kb/s、40Kb/s、250Kb/s三種數據速率用于數據收發(fā)物理層功能包括了激活和休眠射頻收發(fā)器、信道能量檢測、信道接收數據包的鏈路質量指示、空閑信道評估、收發(fā)數據等

圖1 ZigBee協(xié)議棧結構

ZigBee的MAC層負責設備間無線數據鏈路的建立、維護和結束，確認模式的數據傳送和接收，采用載波偵聽多址/沖突避免接入方式，數據包的最大長度為127字節(jié)，每個數據包均由頭字節(jié)和16位CRC校驗值組成

網絡層為ZigBee協(xié)議棧的核心部分，實現(xiàn)節(jié)點接入或離開網絡、路由查找及傳送數據等功能，支持星形、樹形、網絡三種拓撲結構，網絡拓撲結構根據具體的ZigBee應用來選擇節(jié)點按功能分為全功能設備(FFD)、簡化功能設備(RFD)、協(xié)調器(ZCRD)和路由器，協(xié)調器與路由器通常也是全功能設備

ZigBee的應用層包括了應用支持子層(APS)、ZigBee設備對象(ZDO)和制造商制訂的應用對象應用支持子層負責維護綁定表，根據服務和需求在兩個綁定實體間傳遞信息ZDO負責定義設備節(jié)點在網絡中的角色，并負責網絡設備的發(fā)現(xiàn)，決定提供何種應用服務，還負責初始化或響應綁定請求及建立網絡設備間安全關系

ZigBee網絡采用多點接入，有使能信標網絡或不使能信標網絡兩種類型使能信標的網絡中，協(xié)調器在預定義的時隙周期性發(fā)送信標幀用于節(jié)點關聯(lián)、加入網絡、同步傳送數據在不使能信標的網絡中，協(xié)調器也周期性發(fā)送信號，但這只用于終端設備并檢測協(xié)調器的存在，設備要隨時準備好進行點對點通信，通過發(fā)送數據請求和應答進行通信

ZigBee支持兩種類型的數據格式：KVP關鍵值對及MSG消息幀一般KVP幀采用命令響應機制，用于傳輸一個簡單的屬性變量值；而MSG幀還沒有一個具體格式上的規(guī)定，通常用于多信息，復雜信息的傳輸，其支持二進制數據傳輸，數據大小受支持的幀大小限制

圖2 參考設計功能圖

在安全方面，ZigBee采用IEEE 802.15.4媒體訪問控制子層的安全模型，其規(guī)范了四個方面的安全服務，即訪問控制、數據加密、幀完整性檢查及采用順序更新值防止幀重放

ZigBee單芯片方案――EM250

EM250是Ember公司推出的ZigBee片上系統(tǒng)，它集成了一個符合IEEE 802.15.4標準的2.4GHz射頻收發(fā)器和一個功能強大的高速率16位微處理器，支持網絡級的調試，系統(tǒng)的軟件開發(fā)簡便微處理器主頻為12MHz，滿足作為協(xié)調器、全功能設備或簡化功能設備的要求

圖3 協(xié)調器軟件功能模塊設計

EM250可以進入三種不同的狀態(tài)：工作狀態(tài)、待機狀態(tài)和深度睡眠狀態(tài)在工作狀態(tài)時可執(zhí)行程序代碼，典型情況電流為8.5mA在待機狀態(tài)，處理器不再工作，但允許中斷喚醒，外圍器件及射頻收發(fā)器正常工作在深度睡眠狀態(tài)，處理器和射頻收發(fā)器都不再工作，直至有外部中斷或定時中斷喚醒，典型情況電流僅為1.5μA深度睡眠狀態(tài)不適用于全功能設備，但對于簡化功能設備節(jié)省耗電而言，則必不可少