隨著傳感器網絡的大肆應用；隨著物聯網概念的爆發；隨著通信技術的迅速發展，人們提出了在自身附近幾米范圍內通信的要求，這樣就出現了個人區域網絡PAN（Personal Area Network）和無線個人區域網絡WPAN（Wireless Personal Area Network）的概念。WPAN網絡為近距離范圍內的設備建立無線連接，把幾米到幾十米范圍內的多個設備通過無線方式連接在一起，使他們可以相互通信甚至接入LAN或者Internet。

　　2001年8月成立的zigbee聯盟就是一個針對WPAN網絡而成立的產業聯盟。該聯盟致力于近距離、低復雜度、低數據速率、低成本的無線網絡技術。他們開發的技術被稱為zigbee技術，該技術希望被部署到商用電子、住宅及建筑自動化、工業設備監測、PC外設、醫療傳感設備、玩具以及游戲等其他無線傳感和控制領域當中。

　　1.1 IEEE802.15.4標準

　　zigbee聯盟已于2005年6月27日公布了第一份zigbee規范“zigbee Specification V1.0”。這標準定義了在IEEE 802.15.4-2003物理層和標準媒體接入控制層上的網絡層及支持的應用服務。zigbee聯盟的長期目標是能夠建立基于互操作平臺和配置文件的可伸縮、低成本嵌入式基礎架構。

　　1.1.1 IEEE802.15.4協議框架

　　IEEE802.15.4標準采用分層結構。每一層為上層提供一系列特殊的服務：數據實體提供數據傳輸服務，管理實體則提供所有其他的服務。所有的服務實體都通過服務接入點SAP（Service Access Point）為上層提供一個接口，每個SAP都支持一定數量的服務原語來實現所需的功能。

　　IEEE 802.15.4標準堆棧架構是在OSI七層模型的基礎上根據市場和應用的實際需要定義了，如圖2-1。其中，IEEE 802.15.4標準定義了底層：物理層PHY（Physical Layer）和媒體訪問控制子層MAC（Medium Access Control Sub-Layer）層。zigbee聯盟在此基礎上定義了網絡層NWK（Network Layer），應用層APL（Application Layer）架構。其中應用層包括應用支持子層APS（Application Support Sub-Layer），應用框架AF（Application Framework），zigbee設備對象ZDO（zigbee Device Objects）以及用戶定義應用對象（Manufacturer-Defined Application Objects ）。［16］

　　IEEE 802.15.4工作在工業科學醫療ISM（Industrial、Scientific and Medical）頻段，定義了兩個物理層PHY，分別工作在兩個頻段上：868/915 MHz和2.4GHz。其中低頻段物理層覆蓋了868MHz的歐洲頻段和915MHz的美國與澳大利亞等國的頻段。高頻段2.4GHz則全球通用。

　　IEEE 802.15.4 MAC層采用避免沖突多載波信道接入CSMA-CA（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance）方式，主要負責傳輸信標幀，同步以及提供可信賴的傳輸機制。

　　1.1.2 網絡節點類型

　　在W-PAN中有三種網絡角色：PAN網絡協調器、協調器和設備。這三種角色在IEEE 802.15.4規范中分別對應zigbee協調器ZC（zigbee Coordinator）、zigbee路由器ZR（zigbee Router）和終端設備ZED（zigbee End Device）。

　　協調器和路由器只能是全功能器件FFD。一個PAN的網絡中，至少要有一個全功能器件成網絡的協調器，它可以看作是一個PAN的網關節點（SINK節點），它是網絡建立的起點，負責PAN網絡的初始化，確定PAN的ID號和PAN操作的物理信道并統籌短地址分配，充當信任中心和儲存安全密鑰，與其他網絡的連接等。協調器在加入網絡之后獲得一定的短地址空間。這個空間內，他有能力允許其他節點加入網絡，并分配短地址。當然協調器還具備路由和數據轉發的功能。在任何一個拓撲網絡上，所有設備都有一個唯一的64位IEEE長地址，該地址可以在PAN中用于直接通信。或者當所有設備之間都已經存在連接時，可以將其轉變為16位的網絡短地址分配給PAN設備。因此在設備發起連接時采用的是64位的長地址，只有連接成功后，系統分配了PAN的標志符后，才能采用16位的短地址來通信。路由器可以只運行一個存放有路由協議的精簡協議棧，負責網絡數據的路由，實現數據中轉功能。

　　在網絡中最基本的節點就是終端節點ZED，一個終端節點可以是全功能器件FFD或者是精簡功能器件RFD。

　　1.2.1 IEEE 802.15.4

　　IEEE802.15.4包括用于低速無線個人域網LR-WPAN的物理層PHY和媒體接入控制層MAC兩個規范。圖2-4給出了IEEE 802.15.4的分層參考模型。

　　1.2.1.1 IEEE 802.15.4 PHY層

　　物理層的作用主要是利用物理介質為數據鏈路層提供物理連接，負責處理數

　　據傳輸率并架空數據出錯率，以便透明低傳送比特流。zigbee協議的物理層主要負責以下任務：

　　（1）啟動和關閉RF收發器。

　　（2）信道能量檢測。

　　（3）對接收到的數據報進行鏈路質量指示LQI（Link Quality Indication）。

　　（4）為CSMA/CA算法提供空閑信道評估CCA（Clear Channel Assessment）。

　　（5）對通信信道頻率進行選擇。

　　（6）數據包的傳輸和接收

　　IEEE 802.15.4的物理層定義了物理信道和MAC子層間的接口，提供數據服務和物理層管理服務。物理層數據服務從無線物理信道上收發數據，物理層管理服務維護一個物理層相關數據組成的數據庫。

　　1.2.1.2 IEEE 802.15.4 MAC層

　　IEEE 802.15.4媒體介入控制層的沿用了傳統無線局域網中的帶沖突避免的載波多路偵聽訪問技術CSMA/CA方式，以提高系統的兼容性。這種設計，不但使多種拓撲結構網絡的應用變得簡單，還可以實現非常有效的功耗管理。

　　MAC層完成的具體任務如下：

　　（1）協調器產生并發送信標幀（Beacon）。

　　（2）普通設備根據協調器的信標幀與協調器同步。

　　（3）支持PAN網絡的關聯（Association）和取消關聯（Disassociation）操作。

　　（4）為設備的安全性提供支持。

　　（5）使用CSMA-CA機制共享物理信道。

　　（6）處理和維護時隙保障GTS（Guaranteed Time Slot）機制。

　　（7）在兩個對等的MAC實體之間提供一個可靠的數據鏈路。

　　在IEEE 802.15.4的MAC層中引入了超幀結構和信標幀的概念。這兩個概念的引入極大了方便了網絡管理，我們可以選用以超幀為周期組織LR-WPAN網絡內設備間的通信。每個超幀都以網絡協調器發出信標幀為始，在這個信標幀中包含了超幀將持續的時間以及對這段時間的分配等信息。網絡中的普通設備接收到超幀開始時的信標幀后，就可以根據其中的內容安排自己的任務，例如進入休眠狀態直到這個超幀結束。

　　MAC子層提供兩種服務：MAC層數據服務和MAC層管理服務（MAC sub-layer management entity，MLME）。前者保證MAC協議數據單元在物理層數據服務中正確收發，后者維護一個存儲MAC子層協議相關信息的數據庫。