ZigBee技术的研究及应用.doc

本科学生毕业论文

ZigBee技术的研究及应用

黑 龙 江 工 程 学 院
二○一二年六月

The Graduation Thesis for Bachelor's Degree

ZigBee Research and Application

Heilongjiang Institute of Technology
2012-06·Harbin

黑龙江工程学院本科生毕业论文

摘 要

ZigBee技术是近几年兴起的一种面向自动化和无线控制的双向无线通信技术。它具有近距离、低功耗、低数据速率、低复杂度、低成本的特点，而且网络容量大、时延短、安全、可靠。正是以上优点使ZigBee技术为自动抄表系统的发展提供了更好的选择。采用ZigBee无线网络协议，利用免费频段进行通讯，协同监测各用户用电情况，动态组网、自主路由的通讯，都是自动抄表领域的研究热点。
本文具体工作主要包括如下：
首先，介绍课题背景，讨论国内外研究现状，并概括描述了ZigBee技术的主要特点和技术指标。
其次，研究ZigBee协议栈，由浅及深的详细说明ZigBee物理层、MAC层、网络层及应用层的功能，ZigBee协议栈的分析是对后面软件设计的基础。
然后，介绍了抄表系统的网络构成、网络建立和数据传输等理论基础，并从硬件设计和软件设计两个方面来实现抄表节点。

关键词：无线抄表系统；ZigBee技术；ZigBee协议栈；动态组网；自主路由

ABSTRACT

In recent years, ZigBee technology is a kind of bidirectional wireless communications technology for automatic and wireless control．It has features like close quarters, low power consumption, low data rate, low complexity, low cost, and the network characteristics of great capacity, short delay, safe and reliable. So that ZigBee technology with above advantages provides a better choice for automatic meter reading system’s development. To adopt ZigBee wireless network protocol, using free frequency band to communicate, collaborative testing user’s electro-situation, dynamic networking and communication of automatic routing become hotspots for research in field of automatic reading meter system.
This paper includes the specific as follows:
First, introduce topic background, discussing research status from domestic and abroad, and summarized describes the main characteristics and ZigBee technical specifications.
Secondly, ZigBee protocol stack research from shallow and deep ZigBee physical layer, detailed instructions for MAC layer, network layer and application layer function, ZigBee protocol stack of the analysis is the foundation behind the software design.
Then, shows the theory of construction of the wireless meter-reading, and building the wireless network and transferring date etc, and designing that from the hardware design and the software the realization of wireless meter-reading node.

KEY WORDS: wireless meter-reading; ZigBee technology; Zigbee Stack; dynamic networking; Independent routing

II

目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪 论 1
1.1 研究的目的和意义 1
1.1.1 研究的目的 1
1.1.2 研究的意义 1
1.2 国内外研究现状与发展综述 2
1.3 论文的主要研究内容和结构 3
第2章 ZIGBEE技术研究 5
2.1 ZIGBEE技术特点 5
2.2 ZIGBEE协议栈 7
2.2.1 物理层（PHY） 8
2.2.2 介质访问控制层（MAC） 9
2.2.3 网络层（NWK） 10
2.2.4 应用层（APL） 12
2.3 ZIGBEE技术的应用领域 14
2.4 本章小结 14
第3章 ZIGBEE网络的研究与实现 15
3.1 ZIGBEE设备 15
3.2 ZIGBEE网络的建立 15
3.2.1 ZIGBEE组网方式 15
3.2.2 ZIGBEE网络设备建立网络的过程 16
3.2.3 网络设备加入方式 17
3.3 网络数据传输 19
3.3.1 ZIGBEE网络寻址 19
3.3.2 ZIGBEE网络传输的帧格式 20
3.3.3 ZIGBEE网络数据传输 21
3.3.4 AD-HOC网络原理 22
3.4 本章小结 23
第4章 ZIGBEE无线抄表系统实现的实例分析 24
4.1 无线抄表的系统结构 24
4.2 ZIGBEE无线抄表节点的硬件设计 25
4.2.1 节点设计的硬件的选取 25
4.2.2 ZIGBEE节点的电路设计 26
4.3 ZIGBEE无线抄表节点的软件设计 26
4.3.1 软件平台 29
4.3.2 ZIGBEE所需程序设计 29
4.4 ZIGBEE无线网络节点的测试 33
4.5 本章小结 34
结 论 35
参考文献 36
致 谢 37
附 录 38

第1章 绪 论

1.1 研究的目的和意义
1.1.1 研究的目的
随着工业自动化技术的发展，对数据接口的开放性、监控数据传输的实时性以及数据链接的安全性的要求越来越高，有线通信由于二次开发，维护成本高等局限性显得越来越突出。一些工业设备需要在高速移动中来传输数据信息的环境下建立可靠的数据传输网络已成为一个迫切的需求。正由于此，人们不断探索无线传输通信协议和产品，寻求更好的解决方案，例如蓝牙(Bluetooth)等无线设备。
其中ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，它是一种基于IEEE802.15.4标准的低功耗无线个域网协议(Wireless Personal Area Network，WPAN)。适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术具有更低的功耗和成本。ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了其适合于承载数据流量较小的业务，因而在构建智能化等领域有着广泛的应用前景——数字家庭领域，工业生产领域，智能交通领域，农业环境监测等。例如煤矿环境的监控，石化行业的有害气体监测。
对ZigBee技术进行研究，使其广泛运用于自动控制和远程控制领域，目的在于其无线装置减少了传统电气工程施工费用，解决了现场安装困难的问题；其采用数字技术，消除了传统无线技术的不可靠性及其他技术问题。因此，随着ZigBee技术的不断完善，它将成为当今最先进的数字化无线技术。
1.1.2 研究的意义
伴随着电子、电气等科技产品的广泛应用，人们在享受这些产品提供的服务,同时往往也局限于与之结伴而来的各种电缆、数据线的束缚。这些肩负不同功能的线缆，一方面制约了操作者的手脚，另一方面也是对电气耗材的一种浪费，且废旧线缆还会对环境造成污染，此外由于老化和布局不当，还会为安全埋下不小的隐患。另外，大规模有线网络的铺设，容易受地形、地貌的限制，前期投入巨大、后期系统维护、升级复杂，且极易造成浪费和重复建设等问题。鉴于以上种种考虑和对未来科技发展方向的设想，越来越多的电气产品采用最新的无线接入技术逐步替换、淘汰现有的各种家用电器、工业设备的电线、电缆，让用户真正享受无线操作、无所束缚的便捷服务。无线接入技术也正成为信息技术的一个发展趋势。
鉴于此本文通过对ZigBee技术的分析与研究，以及对构建基于ZigBee技术的无线电力抄表系统的实例分析，使得人们更加清晰地认识到ZigBee技术在如数字家庭领域、工业生产领域、智能交通领域等有着广泛的应用前景和优势。目前，市场上无线技术如蓝牙、WiFi、UWB或WLAN都是相关标准层面上的应用，应用领域虽各有不同，但整体走势还稍显缓慢。有部分原因是因为协议复杂、开发通信难度大、周期长，能否在规定的时间开发出来以及在推向市场时是否与其他厂商产品兼容等方面都存在一定制约，并且在成本、性能上的平衡还有待考究。无线技术的关键在于通信质量，而通信质量又受到地理环境气候以及其它外部因素的影响，特别是在丘陵、山区等地形较为复杂的地区。因此我们可以采用ZigBee网络的方式，增加网络路由节点的数量，来增加网络的覆盖面积。ZigBee技术已经成为目前市场前景最广阔的无线通信与网络新技术之一，不管是从设计成本还是系统可靠性方面，ZigBee技术都是有非常广阔的发展前景。
1.2 国内外研究现状与发展综述
ZigBee协议于2004年底由ZigBee联盟发布了1.0版本规范，2006年11月发布了1.1版本规范。有八家支持ZigBee联盟的创始者企业，即Chipcon，Ember，Freescale，Honeywell，Mitsubishi，Motorola，Philips和Samsung,目前该联盟已经包含130多家会员。ZigBee联盟企业包括有IC供应商，无线IP提供商，测试设备制造商，最终产品制造商等，承诺提供ZigBee适应的产品和方案。
2005年4月，已有Chipcon、Freescale、CompXs、Ember四家公司通过了Zigbee联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。飞思卡尔推出全球首个符合ZigBee标准的平台，制造商现在能够将ZigBee技术用于传感和监控应用。目前市场上RF（射频收发芯片）主流芯片供应商包括TI、Ember、Freescale及Jennic，他们分别推出的单芯片方案CC2430／CC2431、EM250、MCl321x及JN5121，在市场上极具竞争力。主流的商用ZigBee的协议栈为Figure8 wireless提供的F8WZ-Stack。ZigBee模块典型的有Aerocomm公司的ZB2430模块。
ZigBee技术的应用十分广泛，现阶段以商业大楼自动化，家庭自动化控制（新建安装）与仪表控制为重点。商业大楼可以利用ZigBee完成自动控制，管理员可以有效地管理空调，灯光，火灾感应系统等各项开关控制系统，可以达到减少能源费用，降低管理人力等节约目的。对消费者来说，若家中具有ZigBee系统，可方便的监控家中的整体运作，有效掌握电力，自来水，瓦斯的使用状况之外，亦可以具有安全功能，例如可以在家中安装无线传感器来监控各种不同情况，一旦侦查到异状即可自动发出警告。
ZigBee在仪表控制市场随着国际仪表巨头中国华立仪表集团，韩国NURI Telecom等纷纷开始引进ZigBee技术运用于仪表控制系统之后，这个市场开始受到重视。ZigBee仪表控制系统相当适合人工高昂，幅员辽阔，或是抄表员素质不良，抄表准确度不高，又或抄表员不易进入水、电、瓦斯仪表所在地的地方。具有这样背景的地方促使ZigBee仪表控制市场具有一定的需求。虽然ZigBee应用越来越多，芯片出货量也连年递增，但总体来说，ZigBee市场仍然处于起步探索阶段，还没有真正进入成熟阶段，主要表现在可应用的终端商用产品还多处于研发阶段，真正上市的不多，体现ZigBee优势的网状网络应用少，体现ZigBee大型组网应用也较少。虽然ZigBee在艰难中前进，但未来整个ZigBee产品还是值得我们期待，从技术标准层面上来看，未来ZigBee将紧密迎合物联网概念方向趋势的发展，努力扮演好传输层界面上的角色，在ZigBee联盟的推动下，ZigBee技术将朝着开发SoC（片上系统也叫系统及芯片），与IPV6(Internet Protocol Version 6)结合，更廉价，更省电，更快速等方向发展。从应用领域方面来看，ZigBee技术完全有机会开拓在目前很热的智能手机领域中的应用，ZigBee的低功耗更具有优势，2节5号干电池可支持1个节点工作6-24个月，甚至更长。相比较，蓝牙能工作数周，WiFi只能工作数小时。同时，贵重设备的定位也是未来值得关注的一个大的潜在应用领域，加大在大型停车场，矿井人员定位等方面的应用。
在中国市场，ZigBee产品的应用爆发可能需要的时间更长，中国的无线网络市场还未成熟，本土厂商的参与度还非常有限，未来需加大ZigBee技术在无线自动抄表系统，车用无线领域等工业应用，便携设备等高端市场的应用。
综上所述，ZigBee技术在ZigBee联盟和IEEE802.15.4的推动下，结合其他无线技术可以实现无所不在的网络通信。作为新兴的短距离无线通信技术，ZigBee产品将以各种各样的方式快步向我们走来，成为人类工作和生活中不可或缺的一部分。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有巨大的商业运用价值，还可涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。由于各方面的制约，ZigBee技术的大规模商业应用还有待时日，但已经展示出了非凡的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。但是，我们还应该清楚的认识到，基于ZigBee技术的无线网络才刚刚开始发展，它的技术、应用都还远谈不上成熟，国内企业应该抓住商机，加大投入力度，推动整个行业的发展。
1.3 论文的主要研究内容和结构
本文先对ZigBee相关技术进行综述、分析，然后列举了基于ZigBee技术的无线网络电力抄表系统并进行分析与研究。
论文的结构如下：
第一章 是论文的绪论，先谈了课题研究意义，接着对ZigBee技术在国内外的发展现状进行了阐述。
第二章主要介绍ZigBee技术特点和协议栈结构以及应用领域，并详细说明了基于IEEE802.15.4的ZigBee的应用会聚层和网络层以及IEEE802.15.4内容包括物理层，介质访问控制层。
第三章对基于ZigBee技术的无线网络的建立、组网方式及网络数据传输原理进行了深入的分析和研究。包括从组网方式、网络建立、网络节点加入或脱离、数据传输等方面详细介绍了ZigBee网络。
第四章实例分析，主要分析了基于ZigBee无线抄表系统的构架、各种设备及设备功能，并从ZigBee节点的硬件和软件两个方面进行了设计。
最后对本论文得出结论并提出展望。

第2章 ZigBee技术研究

ZigBee（“紫蜂”）一词源自蜂蜜群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。人们借此称呼一种专著于低功耗、低成本、复杂度低、低速率的近程无线网络通信技术，亦包含寓意。ZigBee技术并不是完全独有、全新的标准，它的物理层、MAC层和链路层采用了IEEE802.15.4协议标准，但在此基础上进行了完善和扩展，其网络层、应用会聚层和高层应用规范（API）由ZigBee联盟进行了制定，ZigBee无线技术在应用时使用底层的IEEE802.15.4协议标准，上层网络层、应用层和高层应用层使用的是ZigBee协议。在标准规范制订方面，主要是IEEE802.15.4小组与ZigBee Alliance（ZigBee联盟）两个组织，两者分别制订硬件与软件标准。在IEEE802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小组，负责制订介质访问控制层（MAC）与物理层（PHY）规范，2003年5月通过802.15.4标准；在ZigBee联盟方面，ZigBee联盟于2002年10月成立，ZigBee联盟负责制订网路层、安全管理、应用界面规范，其次也肩负互通测试，目前ZigBee联盟已推出ZigBee 2007规范，成员已达150多个。ZigBee协议依据802.15.4标准，在数千个微小的ZigBee设备间相互协调实现通信。这些设备只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个设备传到另一个设备，所以它们的通信效率非常高。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、数据低速率（<250kbps）、工作在2.4GHz和565\915MHz的无线技术，它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。
2.1 ZigBee技术特点
ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术规范。ZigBee规范在IEEE 802.15.4标准的基础上定义了一个分层协议，即ZigBee协议。基于ZigBee协议组建的无线网络，具有自组织、多跳路由、动态拓扑的组网特点，一般称为ZigBee网络。
具有如下技术特点：
1、低速率：数据传输速率只有20~250kb/S(2.4GHz)、40kb/s(915MHz)和20kb/s(868MHz)的原始数据吞吐率，能满足低速率传输数据的应用要求。
2、低功耗：在工作模式时，应用ZigBee技术的设备传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短；而在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模式，所谓休眠模式即当系统不传送数据时处于休眠状态，当需要接收数据时由ZigBee网络中称作“协调器”的设备负责唤醒它们。由于ZigBee系统工作时间较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，使得ZigBee节点非常省电，ZigBee节点的电池工作时间通常可以长达6个月到2年左右。
3、低成本：由于ZigBee协议栈设计简练，因此它的研发和生产成本相对较低，普通网络节点硬件上只需8位微处理器，最小4kbyte、最大32kbyte的ROM，软件实现上也较简单，并且Zigbee的协议是免专利费的，所以随着产品产业化，ZigBee通信模块价格也会进一步降低。
4、短时延：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。
5、网络容量大：1个ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备，每个Zigbee设备又可以与另外254台设备相连接。若通过网络协调器，整体网络最多可达到65000多个ZigBee网络节点。这一点对于大规模传感器阵列和控制尤其重要。
6、有效范围：有效覆盖范围在10~75m之间，但是可以扩展到数百米，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。
7、数据传输可靠：ZigBee的MAC层采用带时隙或不带时隙的载波检测多址访问与冲突避免(CSMA/CA)机制的数据传输方法，并与确认和数据检验等安全措施相结合，有效地保证了数据的安全传输。
8、安全：ZigBee技术提供了数据完整性检查和鉴别功能，加密算法采用AES-128（Advanced Encryption Standard，AES），并且各应用可以灵活地确定其安全属性，使网络安全能够得到有效的保障。
9、工作频段灵活：所用的频段分别为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。
当前流行的无线通信技术有Bluetooth、GPRS/CDMA、CDMA2000、GSM、Infrared(IR)、ISM、RFID、UMTS/3GPPw/HSDPA、UWB、WiMAX、Wi-Fi和ZigBee。各种无线通信技术都有适用的频段、调制方式、最大作用距离、数据率和应用领域。这些无线通信技术的作用距离与数据率的关系是数据率越高,作用距离就越短。可用网络技术扩展作用距离而仍然保持数据率。其中GPRS(General Packet Radio Service，通用无线分组业务)作为第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信(3G)的过渡技术，是由英国BT Cellnet公司早在1993年提出的，是一种基于GSM的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的IP连接。而WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access),即全球微波互联接入。WiMAX也叫802·16无线城域网或802.16，提供面向互联网的高速连接，数据传输距离最远可达50km。
下面就其中几种无线通信技术参数进行对比。
表2.1 几种无线通信技术参数对比

GPRS/CDMA
WIMAX(802.16)
WIFI(802.11)
BLUETOOTH(802.15.1)
ZIGBEE(802.15.4)
应用重点
语音/数据
无线城域/广域网
WEB/EMAIL/MEDIA
电缆替代品
监控
系统资源
16MB+

1MB+
250KB+
4-32KB+
终端功耗
较高
高
较高
较高
小
网络规模
无限制
大
较小
点对点
65000点
宽带
14.4K以上
可达1G
11M以上
720K
250K
传输距离
无限制
几十公里
几百米-几公里
<10米
几百米-几公里
优势
覆盖面积大，质量保证
覆盖面积大，宽带，投资成本低
速度，灵活
价格低，方便
可靠/低功耗/灵活

2.2 ZigBee协议栈
ZigBee协议由物理层(PHY)、介质访问控制层(MAC)、网络层(NWK)，应用层(APL)
安全服务提供层
应用层

网络层

介质访问控制层

IEEE 802 15.4 ZigBee协议
物理层

图2.2 ZigBee协议栈结构

及安全服务提供层(SSP)五块内容组成，如图2.2所示。其中PHY层和MAC层标准由IEEE给出的802.15.4标准定义，MAC层之上的NWK层，APL层及SSP层，由ZigBee联盟给出的ZigBee标准定义。APL层由应用支持层(APS)，应用框架(AF)及ZigBee设备对象(ZDO)及管理平台组成。
2.2.1 物理层（PHY）
IEEE 802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868／915MHz物理层。两个物理层都基于直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)技术,简称直扩方式（DS方式），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。
物理层主要功能：
1、 信道能量检测ED（Energy Detect）；用于判断当前信道的忙碌、空闲。
2、信道选择；可以实现频率选择、信道迁移，提高通信质量。
3、空闲信道评估CCA（Clear Channel Assessment）；CCA时，信道忙碌发送失败，信道空闲发送成功。
4、无线信道收发数据PPDU(PHY Protocol Data Unit)；实现数据的调制与解调
5、接收包链路质量LQI(Link Quality Indication)的检测；通过数据包哦接收情况判断链路的质量。
ZigBee物理层分组结构如图2.3所示，其中前导码4 Byte，主要用于帧同步；分组定界1 Byte，标志分组的开始；物理层头1 Byte，表示数据单元的长度；数据单元用于承载传输数据。
前导码
分组定界起点
物理层头
物理层数据单元
6Byte 0~128 Byte
图2.3 ZigBee物理层分组结构
2.4GHz频段；该频段为全球统一无需申请的ISM频段，有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。该频段物理层通过采用高阶调制技术，可获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更省电。
868／915MHz频段。为了避免干扰，欧洲还采用868MHz频段，美国采用915 MHz频段作为ZigBee的工作频段。上述这些频段比较相近，对信号合成器的程序稍作改动，就可使用相似的硬件，从而降低生产成本。868MHz频段被划分为16个信道，数据传输速率为250 kb／s，码元速率为62．5kbaud，采用16进制正交调制，并用码片长度为8的伪随机码直接扩频。915MHz频段(902～928 MHz)被划分为10个信道，数据传输速率为20 kb／s，码元速率为20kbuad。
上述频段无线信号传播损耗较小，可降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的通信距离，即可用较少的设备覆盖较大的区域。均采用了差分编码的二进制移相键控(BPSK)调制，用码片长度为15的M序列直接扩频。
2.2.2 介质访问控制层（MAC）
ZigBee协议栈的MAC层在服务协议汇聚层(SSCS)和物理层之间提供了一个接口。MAC层提供两种服务：MAC层数据服务(MAC sublayer data entity，MLDE)和MAC层管理服务(MAC sublayer management entity，MLME)。MLDE保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发。MLME提供一个服务接口，通过它可调用MAC层管理功能；同时，维护一个存储MAC层协议状态相关信息的数据库。
MAC层主要功能包括以下六个方面：
1、网络协调器产生并发送信标帧；
2、普通设备根据信标帧与协调器同步；
3、支持PAN（Personal Area Network）网络的关联(association)和取消关联(disassociation)操作；
4、支持无线信道通信安全；
5、使用免冲突载波检测多址接入CSMA/CA机制访问信道；
6、支持时槽保障(guaranteed time slot，GTS)机制；
IEEE 802.15.4的MAC层支持多种LLC（Logical Link Control）标准，通过SSCS业务相关会聚子层协议承载IEEE 802.15.4类型的LLC标准，且允许其他LLC标准直接使用IEEE 802.15.4MAC层的服务。考虑到ZigBee MAC层的设计应尽可能地降低成本、易于实现、数据传输可靠、短距离操作以及低功耗，因此采用了简单灵活的协议，其帧有4种类型：数据帧、标帧、命令帧和确认帧，其一般结构如图2.4所示。
MAC头（WHR）
MAC业务数据单元
MAC尾（WHR）
图2.4 ZigBee帧结构
ZigBee采用载波侦听多址／冲突(CSMA／CD)的信道接入方式，其数据传输方式如图2.5所示。发送端接收到数据请求后，发送端MAC把数据按着发送格式打包成数据帧，把数据帧经过发送端的无线发射装置，把数据传输到接收端；接收端经过无线接收装置接收发送端发送过来的数据，在接收过程中采用的是CSMA\CD方式避免接收过程的冲突，当接收端接收到数据后，接收端发送接收确认帧给发送端，完成一次数据传输；反之也是采用如图的模式进行数据传输。

发送端

数据请求 数据确认
发送端MAC

数据帧 数据帧
接收端MAC
信号接入

数据请求 数据指示
发送端

图2.5 ZigBee数据传输方式
2.2.3 网络层（NWK）
ZigBee的网络层是由ZigBee联盟定义的，是ZigBee协议栈的核心。ZigBee网络层的责任包括加入和离开一个网络所用到的机制、应用帧安全机制和他们的目的地路由帧机制。ZigBee网络支持星状网(Star)，树型网(Cluster-Tree)和网状网(Mesh)三种网络拓扑结构。网络层结构模型如图2.6所示。
上层实体

NLDE-SAP
NLME-SAP

网络层数据实体
（NLDE）
网络层管理实体
（NLME）

应用层信息部分
（NWK IB）

MLME-SAP
MCPS-SAP

MAC子层实体

图2.6 网络层结构模型
ZigBee网络层(NWK)位于介质访问控制子层(MAC)和应用层(APL)之间，主要负责以下一些任务：
1、加入和离开网络；
2、帧的安全机制管理；
3、根据路由发送帧到目的地址；
4、发现和维护路由；
5、发现单跳邻居节点和维护邻居节点信息。
ZigBee网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保ZigBee的MAC层正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供其接口，网络层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别为数据服务实体和管理服务实体。网络层数据实体（NLDE）通过网络层数据服务实体服务接入点（NLDE-SAP）提供数据传输服务，网络层管理实体（NLME）通过网络层管理实体服务接入点（NLME-SAP）提供网络管理服务。网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且网络层管理实体完成对网络信息库（NIB）的维护和管理，下面分别对它们的功能进行介绍。
1、网络层数据实体（NLDE）
网络层数据实体为数据提供服务，在几个或者更多的设备之间传送数据时，将按照应用协议数据单元（APDU）的格式进行传送，并且这些设备必须在同一个网络中，即在同一个内部个域网中。
网络层数据实体提供如下服务：
（1）生成网络层协议数据单元（NPDU）：网络层数据实体通过增加一个适当的协议头，从应用支持层协议数据单元中生成网络层的协议数据单元。
（2）指定传输路由，网络层数据实体能够发送一个网络层的协议数据单元到一个合适的设备，该设备可能是最终目的通信设备，也可能是通信链的一个中间通信设备。
（3）安全：确保通信的真实性和机密性。
网络协议数据单元(NPDU)的帧结构有两个基本组成部分：网络层帧报头，包含帧控制、地址和序列信息；网络层帧的可变长有效净荷，包括帧类型所指定的信息，其结构如图2.7所示
字节：2
2
2
1
1
可变

帧控制
目的地址
源地址
广播半径
广播序列号

净荷
路由子域
网络层数据头
网络层净荷
图2.7 网络层的帧结构
2、网络层管理实体（NLME）
网络层管理实体提供网络管理服务，允许应用与堆栈相互作用。网络层管理实体应该提供如下服务：
（1）配置一个新的设备：为保证设备正常工作的需要，设备应具有足够的堆栈，以满足配置的需要。配置选项包括对一个ZigBee协调器或者连接一个现有网络设备的初始化的操作。
（2）初始化一个网络：使之具有建立一个新网络的能力。
（3）连接和断开网络：具有连接或者断开一个网络的能力，以及为建立一个ZigBee协调器或者路由器，具有要求设备同网络断开的能力。
（4）寻址：ZigBee协调器和路由器具有为新加入网络的设备分配地址的能力。
（5）接收控制：具有控制设备接收状态的能力，即控制接收机什么时间接收、接收时间的长短，以保证MAC层的同步或正正常接收等。
（6）邻居设备发现：具有发现、记录和汇报有关一跳邻居设备信息的能力。
（7）路由发现：具有发现和记录有效地传送信息的网络路由的能力。
2.2.4 应用层（APL）
ZigBee应用层由三个部分组成，应用支持层(APS)、ZigBee设备对象（ZDO，包含ZDO管理平台）和制造商定义的应用对象(AF)。
1、应用支持层
APS提供了这样的接口：在NWK层和APL层之间，从ZDO到供应商的应用对象的通用服务集。这服务由两个实体实现：APS数据实体（APSDE）和APS管理实体（APSME）。
（1）APSDE通过APSDE服务接入点(APSDE-SAP)；
（2）APSME通过APSME服务接入点（APSME-SAP）。
APSDE提供在同一个网络中的两个或者更多的应用实体之间的数据通信。APSME提供多种服务给应用对象，这些服务包含安全服务和绑定设备，并维护管理对象的数据库。
ZigBee中的应用框架是为驻扎在ZigBee设备中的应用对象提供活动的环境。最多可以定义240个相对独立的应用程序对象，任何一个对象的端点编号从1到240。还有两个附加的终端节点为了APSDE-SAP的使用：端点号0固定用于ZDO数据接口；另外一个端点255固定用于所有应用对象广播数据的数据接口功能，端点241-254保留（为了扩展使用）。
APS子层结构模型如图2.8所示。
上层实体

APSDE-SAP
APSMESAP

应用层管理实体
（APSME）

应用层数据实体
（APSDE）

应用层信息部分
（APS IB）

NLDE-SAP

NLME-SAP

网络层实体

图2.8 APS子层结构模型
应用层APDU(应用支持子层协议数据单元)通用的帧格式如图2.9所示，其基本组成为：APS头，由帧控制和地址信息组成；APS有效载荷，变长包含帧类型指定的信息。
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可变

帧控制
目的地址
族标示符
协议子集标示符
源地址

净荷
地址子域
应用层数据头
应用层净荷
图2.9 应用层APDU帧结构
2、ZigBee设备对象
ZigBee设备对象(ZDO)，描述了一个基本的功能函数，这个功能在应用对象、设备和APS之间提供了一个接口。ZDO位于应用框架和应用支持子层之间。它满足所有在ZigBee协议栈中应用操作的一般需要。ZDO还有以下作用：
（1）初始化应用支持子层(APS)，网络层(NWK)，