ZigBee协议框架
ZigBee协议是一种低成本、低功耗、低速率嵌入式设备互相间及与外界网络通信的组网解决方案，它是ZigBee联盟基于IEEE 802.15.4技术标准物理层和媒体访问控制层(MAC层)协议对网络层协议和API进行标准化而制定的无线局域网组网、安全和应用软件方面的技术标准。
ZigBee协议栈结构如图1所示
ZigBee协议物理层和媒体访问控制层采用了IEEE 802.15.4 2003协议规范物理层无线频段为全世界通用的 2.4GHz、欧洲适用的868MHz、美国适用的915MHz，使用直接序列扩频技术，提供27个
ZigBee无线传感器网络是一种基于IEEE 802.15.4标准的低功耗、低速率的通信技术，特别适用于物联网(IoT)中的各种应用。它由ZigBee联盟制定，旨在创建一种高效、经济的无线网络解决方案，能够连接各种嵌入式设备，实现它们之间的通信以及与外部网络的交互。
ZigBee协议栈分为多个层次，包括物理层、媒体访问控制层(MAC层)、网络层、应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和应用对象。物理层和MAC层遵循IEEE 802.15.4标准，支持全球通用的2.4GHz频段，以及欧洲的868MHz和美国的915MHz频段，采用直接序列扩频(DSSS)技术，提供27个信道供不同设备使用。数据速率有20Kbps、40Kbps和250Kbps三种，以适应不同应用场景的需求。
MAC层负责设备间的无线数据链路管理，采用载波侦听多址/冲突避免(CSMA/CA)策略，确保数据传输的可靠性。数据包最大长度为127字节，包含头字节和CRC校验，以保证数据完整性和准确性。
网络层是ZigBee协议栈的核心，支持星形、树形和网状三种网络拓扑结构，允许节点的动态加入和离开。网络中的设备分为全功能设备(FFD)、简化功能设备(RFD)、协调器(ZCRD)和路由器，其中协调器负责建立和管理网络，路由器则协助数据转发。FFD和RFD的区别在于处理能力，FFD可作为路由器，而RFD仅能发送和接收数据。
应用层包括APS、ZDO和厂商特定的应用对象。APS负责维持绑定表，实现数据在不同设备间的传输；ZDO定义设备在网络中的角色，负责网络设备的发现和应用服务的定义；而应用对象则由制造商根据具体需求定制。
ZigBee网络支持两种工作模式：使能信标网络和不使能信标网络。前者由协调器周期性发送信标帧，用于节点关联、网络同步和数据传输；后者则更依赖于设备间的直接通信，没有固定的信标时隙，更适合低功耗场景。
在数据传输格式上，ZigBee支持KVP（关键值对）和MSG（消息帧）两种。KVP通常用于简单属性变量的传输，而MSG帧则用于多信息、复杂信息的传递，支持二进制数据，并且其大小受限于帧大小。
在安全性方面，ZigBee采用了IEEE 802.15.4 MAC层的安全模型，提供了访问控制、数据加密、帧完整性检查和防止重放攻击的功能，保障网络通信的安全性。
以EM250为例，这是Ember公司的一款ZigBee单芯片解决方案，集成了2.4GHz射频收发器和16位微处理器，可作为协调器、FFD或RFD运行。EM250有三种工作状态：工作状态、待机状态和深度睡眠状态，以适应不同功耗需求。在深度睡眠状态下，电流消耗极低，适合于节能要求严格的设备。
ZigBee无线传感器网络结合EM250这样的单芯片解决方案，为各种物联网应用提供了高效、可靠且低功耗的通信手段，尤其适用于环境监测、智能家居、工业自动化等领域。
