淺談zigbee無線通信技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用

摘 要：Zigbee無線通信技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的采用直序擴(kuò)頻技術(shù)的無線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、廉價(jià)、便攜等特點(diǎn)。從推出后至今經(jīng)過不斷地發(fā)展，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，學(xué)習(xí)與研究zigbee技術(shù)，對(duì)我們推動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有著要的作用。

關(guān)鍵詞：Zigbee；無線通信；技術(shù)；應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TN925

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是基于標(biāo)準(zhǔn)的七層開放式系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）模型，但僅對(duì)那些涉及ZigBee的層予以定義。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層（PHY）和介質(zhì)接入控制子層（MAC）。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（APL）框架的設(shè)計(jì)。其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）和由制造商制訂的應(yīng)用對(duì)象。如圖1：

圖1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型

Zigbee無線通信技術(shù)是一個(gè)由最多可由65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，非常類似現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。Zigbee組網(wǎng)方式靈活多樣，如下圖2。在網(wǎng)絡(luò)上，任何一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊形同移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信；每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的幾十米甚至可擴(kuò)展到幾公里，還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程連接。如下圖，幾種常見的組網(wǎng)方式。

圖2 Zigbee組網(wǎng)方式

Zigbee無線通信技術(shù)主要是為自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而產(chǎn)生，每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以與監(jiān)控對(duì)對(duì)象，它還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)資料。每一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（FFD）還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)（RFD）無線連接。每一個(gè)傳感器和受控設(shè)備終可以有8種不同的接口方式，還可以采集和傳輸數(shù)字量和模擬量。

1 Zigbee無線通信技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 數(shù)據(jù)傳輸可靠

ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。ZigBee的介質(zhì)鏈路層（以MAC層）采用CSMA-CA碰撞避免機(jī)制，提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃?。同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突，ZigBee針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

1.2 網(wǎng)絡(luò)容量大

ZigBee有三種網(wǎng)絡(luò)器件，協(xié)調(diào)器，路由器、端結(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是一種全功能器件。ZigBee可以構(gòu)成星形、網(wǎng)狀、類樹狀等多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在每一個(gè)ZigBee組成的無線網(wǎng)絡(luò)中，連接地址碼分為16位短地址或者64位長地址。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過65000個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可互相連接，形成了眾多的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸速率低

ZigBee技術(shù)傳輸速率低，只有10～250Kb/s，更適合傳輸一些采集到的溫度、濕度、壓力、流量等簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)。

1.4 功耗低

ZigBee設(shè)備為低功耗設(shè)備，其發(fā)射輸出為0～3.6dBm，具有能量檢測(cè)和鏈路質(zhì)量指示能力，根據(jù)這些檢測(cè)結(jié)果，設(shè)各可以自動(dòng)調(diào)整設(shè)各的發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最小地消耗設(shè)各能量。當(dāng)處于工作模式下，信號(hào)的收發(fā)時(shí)間很短，其次在非工作模式時(shí)，ZigBee節(jié)點(diǎn)處于休眠模式，耗電量?jī)H僅只有1μW。設(shè)備搜索時(shí)延一般為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接人時(shí)延為15ms。由于工作時(shí)間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee設(shè)各非常省電。

1.5 自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、自主路由

ZigBee通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)是動(dòng)態(tài)變化的，無論是節(jié)點(diǎn)的能量耗盡，或者節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障問題，都能使節(jié)點(diǎn)退出網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)在需要的時(shí)候可以向已有的網(wǎng)絡(luò)中加人新的節(jié)點(diǎn)。

1.6 安全性高

ZigBee技術(shù)采用了密鑰長度為128位的加密算法，對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理。

具有數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級(jí)安全性。第一級(jí)實(shí)際是無安全方式，對(duì)于某種應(yīng)用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護(hù)，器件就可以選擇這種方式來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。對(duì)于第二級(jí)安全級(jí)別，器件可以使用接人控制清單（ACL）來防止非法器仵獲取數(shù)據(jù)。

1.7 實(shí)現(xiàn)成本低

模塊成本非常低，現(xiàn)在的價(jià)格是幾十元人民幣，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以具有成千上萬的節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模不再受到成本的制約。

2 Zigbee無線通信技的應(yīng)用

ZigBee有著廣闊的應(yīng)用前景，其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：

2.1 智能家居和樓宇

ZigBee在家庭中的應(yīng)用很廣泛，如空調(diào)系統(tǒng)的溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)、照明的自動(dòng)控制、窗簾的自動(dòng)控制、水表、電表、煤氣表計(jì)量控制、家用電器的遠(yuǎn)程控制、現(xiàn)代化智能樓宇系統(tǒng)中的消防、安防等等。

2.2 井下安全

在井下作業(yè)中，ZigBee可用于井下人員的定位、搜救，各種有毒有害氣體的濃度的檢測(cè)、報(bào)警、礦進(jìn)的通風(fēng)等。

2.3 農(nóng)業(yè)控制技術(shù)

在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)控制技中，ZigBee可配合種傳感器，收集各種土壤信息和氣候信息，如溫度、濕度、土壤各種化學(xué)元素的測(cè)定等等。

2.4 醫(yī)療

ZigBee可與醫(yī)療專用的傳感器相結(jié)合，監(jiān)測(cè)病人的各種人命體征指標(biāo)，如心跳、血壓、呼吸等，還可以為行動(dòng)不便者的制作緊急呼叫器。

2.5 電力系統(tǒng)

基于ZigBee開發(fā)的電力設(shè)備，如輸電線電壓監(jiān)測(cè)，智能路燈控制系統(tǒng)，無線抄表系統(tǒng)等等。

2.6 其它

ZigBee應(yīng)用比比皆是，智能交通路況、污水無線監(jiān)測(cè)、城市管網(wǎng)監(jiān)測(cè)、停車場(chǎng)智能管理、復(fù)雜環(huán)境下的各種監(jiān)測(cè)與檢測(cè)應(yīng)用等等。

總之，隨著ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷地發(fā)展，正廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制的各個(gè)領(lǐng)域，它是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的重要給成部分，具有重要的作用。

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作者單位：赤峰學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古赤峰 024000