ZigBee應(yīng)用前景淺析

王琳煜 郭創(chuàng)建

摘? 要：隨著時代的進步，傳統(tǒng)的人工近距離控制、檢測和采樣的方式，已經(jīng)無法滿足時代的需求，而物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為未來發(fā)展的趨勢，智能化、自動化在未來將為管理和生活帶來更多的便利性。在物聯(lián)網(wǎng)IoT盛行的年代，無線通信技術(shù)將起著關(guān)鍵的作用，它將可以解決遠程控制、遠程監(jiān)測和采集的問題。其中，ZigBee技術(shù)將承擔不可替代的角色，同時也面臨著BLE、Wi-Fi、Thread等技術(shù)的挑戰(zhàn)。本文將從ZigBee的5大特點出發(fā)，對比ZigBee和其他的無線通信技術(shù)各項性能和指標，剖析ZigBee的優(yōu)點及作用，并且對ZigBee技術(shù)的應(yīng)用場景進行探究。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);無線通信技術(shù);ZigBee技術(shù)特點

中圖分類號：TN929.5? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）15-0195-02

Brief Analysis of Application Prospect of ZigBee

WANG Linyu1，GUO Chuangjian2

（1.ZLG Technology Corp.，Ltd.，Guangzhou? 510660，China;

2.Guangzhou Zhiyuan Electronics Co.，Ltd.，Guangzhou? 510660，China）

Abstract：With the progress of the times，the traditional manual proximity control，manual proximity detection，sampling，has not been able to meet the needs of the times，and the internet of things has become the trend of future development，intelligent，automatic in the future will bring more convenience for management，life. In the era of internet of things （IoT），wireless communication technology will play a key role，which can solve the problems of remote control，remote monitoring and collection，among which ZigBee technology will play an irreplaceable role，and also face challenges from BLE，Wi-Fi，Thread and other technologies. Starting from the five characteristics of ZigBee，this paper compares the performance and indicators of ZigBee and other wireless communication technologies，analyzes the advantages and effects of ZigBee，and explores the application scenarios of ZigBee technology.

Keywords：internet of things;wireless communication technology;ZigBee technology features

0? 引? 言

物聯(lián)網(wǎng)是集成度極高、整合性強的新生信息技術(shù)，它將產(chǎn)生新的產(chǎn)業(yè)變革，將對城市的智能化、低能耗等發(fā)展方向，起著至關(guān)重要的作用，且具有可持續(xù)發(fā)展的重要意義。世界各國各地均在積極參與布局，特別是美國、歐盟、日本等發(fā)達國家及地區(qū)，他們高度重視物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，打算在未來的國際經(jīng)濟科技競爭中占據(jù)主動權(quán)。近些年來，中國也不斷地推出政策，如《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》《關(guān)于推進物聯(lián)網(wǎng)有序健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》等，來系統(tǒng)性地規(guī)劃和考慮物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和目標。在對于物聯(lián)網(wǎng)的規(guī)劃中，無線通信技術(shù)將是重要的組成部分，其中ZigBee無線通信技術(shù)也將承擔著不可替代的作用。在規(guī)劃中，很多規(guī)模龐大的場景功耗要求嚴苛，可靠性和安全性要求都較高，很多無線通信技術(shù)并不能滿足這些要求，但ZigBee所具備的5大特點，卻均符合這些場景的要求。

1? ZigBee5大特點

1.1? 超低功耗

由于ZigBee技術(shù)的無線傳輸速率在20～250kbit/s（8 68MHz下為20kbit/s、915MHz下為40kbit/s、2.4GHz下為250kbit/s）屬于較低的通信速率，物理層單次發(fā)送的最大數(shù)據(jù)長度只有127字節(jié)，因此信號的收發(fā)時間很短。另外，ZigBee定義了睡眠終端節(jié)點，該節(jié)點如果在休眠時，其射頻接收會處于關(guān)閉狀態(tài)，只有當發(fā)送后等待應(yīng)答及請求數(shù)據(jù)時才會打開，在非工作時會立即進入睡眠模式。

如Silicon Labs推出的EFR32系列的ZigBee芯片，其接收電流只有10.2mA，而發(fā)射電流在0dBm下為8.5mA，睡眠模式EM2等級下只有2μA。由于ZigBee收發(fā)功耗較低所需的工作時間也很短，使得節(jié)點非常省電。在工作時間t1/（工作時間t1+休眠時間t2）<1%的情況下，若使用2節(jié)5號電池，其節(jié)點的續(xù)航能力可以超過5年。

1.2? 高可靠性

ZigBee采用了CSMA/CA，即沖突避免機制，編碼方式上使用了直序擴頻通信方式（DSSS），該方式可以有很強的抗干擾能力，同時在帶寬劃分上預(yù)留了一定的間隙，可以有效地避免數(shù)據(jù)發(fā)送時產(chǎn)生的沖突和相互競爭。另外，ZigBee MAC層還采用了確認應(yīng)答機制，每一幀數(shù)據(jù)發(fā)送后均需要收到確認應(yīng)答信息，如果沒有收到應(yīng)答信息則表示發(fā)生了數(shù)據(jù)丟失或產(chǎn)生了沖突，將會重傳一次。采用這種方法可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

1.3? 高安全性

ZigBee提供了3種安全模式。第一種方式為無密鑰設(shè)定，對于某種特殊的、不需要較高安全性的或是有其他安全保護的措施的應(yīng)用，便可以使用該方式;第二種方式為使用接入控制清單（ACL）防止通過非法的方式獲取數(shù)據(jù);第三種方式為采用高級加密標準（AES128）的對稱加密算法，AES128的嚴密程度相當于銀行卡加密技術(shù)的12倍，可以有效地防止冒充合法用戶。用戶可以根據(jù)自身的應(yīng)用場合靈活地設(shè)置所需的安全屬性。ZigBee的幀結(jié)構(gòu)中要求需要利用循環(huán)冗余校驗（CRC）對數(shù)據(jù)包的完整性進行校驗和檢查，并且在組網(wǎng)過程中支持對即將加入的節(jié)點進行鑒權(quán)和認證。

1.4? 組網(wǎng)能力強

ZigBee擁有3種拓撲結(jié)構(gòu)。第一種是星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);第二種是樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);第三種是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從理論上講，整個ZigBee的組網(wǎng)規(guī)?？蛇_65535個節(jié)點，但實際中由于環(huán)境干擾、設(shè)備自身處理能力等問題，一般節(jié)點數(shù)只能達到500個。并且支持自組網(wǎng)，可快速地加入網(wǎng)絡(luò)或者重新加入網(wǎng)絡(luò)，無需進行同步操作，當節(jié)點故障后，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可以自行恢復(fù)通信狀態(tài)。

1.5? 低成本

ZigBee芯片相比其他2.4GHz無線通信器件價格是很低的，并且現(xiàn)在各大芯片廠商均有生產(chǎn)發(fā)射功率達到19.5dBm的芯片，這可以大大降低外圍PA等器件的成本。并且ZigBee的協(xié)議?？稍诘蚏AM上運行并且所需FLASH空間較小，可以大幅降低外圍MCU的成本，而且ZigBee的協(xié)議專利免費。

2? 無線通信技術(shù)的對比

現(xiàn)在應(yīng)用較為廣泛的無線通信技術(shù)有以下幾種：Wi-Fi無線通信技術(shù)、藍牙BLE無線通信技術(shù)、ZigBee無線通信技術(shù)。3種無線通信技術(shù)之間具體的對比信息如表1所示。

在傳輸速率方面，ZigBee適合傳輸速率要求并不快且其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不大的應(yīng)用場景，可于用場景中的發(fā)送控制命令、采集上報以及報警信息等。由于ZigBee具有自組網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)容量大的特點，具有在實際使用中非常容易擴展，添加或移除一個設(shè)備操作及其簡單的優(yōu)點。

由此我們可以得出ZigBee具有傳輸距離遠、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量多、擴展性強、使用復(fù)雜度低、使用成本低、續(xù)航能力強這6個顯著特點，這些特點在不同的使用場景下，會有非常顯著的優(yōu)勢。

3? ZigBee應(yīng)用場景

3.1? 工業(yè)場景

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，由于ZigBee的抗干擾能力、可靠性及安全性都很高，并且功耗極低，非常適合用于與傳感器搭配，組建數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)以及遠程遙控系統(tǒng)，這將使得數(shù)據(jù)分析、處理和遠程控制變得更加容易，使其可以作為決策和輔助系統(tǒng)的重要組成部分。例如可以將ZigBee運用于以下系統(tǒng)中：碼頭貨運調(diào)度系統(tǒng)、遠程抄表系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)、城市路燈測控系統(tǒng)等。這些應(yīng)用不需要很高的數(shù)據(jù)吞吐量和連續(xù)的狀態(tài)更新，但又需要較高的數(shù)據(jù)可靠性且對低功耗有極高的要求，這一類系統(tǒng)使用ZigBee將是非常合適的。

3.2? 商用場景

在智能建筑領(lǐng)域，如寫字樓或者商場，需要進行設(shè)備的控制及故障檢測、信息提醒等，這將使得管理及維護更加簡單、快捷，但這些場合都有一個共性，便是規(guī)模比較龐大，所需的節(jié)點數(shù)量多，對于安全性的要求也比較高，而ZigBee的容量大、安全性高的特點剛好滿足其要求。例如可以將ZigBee運用于以下系統(tǒng)中：智能監(jiān)獄無線管理系統(tǒng)、酒店管理系統(tǒng)、點陣信息提醒系統(tǒng)等。這些應(yīng)用不需要經(jīng)常移動放置地點，規(guī)模比較龐大，需要非常容易地進行組網(wǎng)、加網(wǎng)并且安全要求高，這一類系統(tǒng)使用ZigBee將是非常合適的。

3.3? 家庭場景

在家庭智能化領(lǐng)域，由于需要方便用戶擴展，因此擴展性需求較高，所需的節(jié)點數(shù)量比較多，并且其使用復(fù)雜度需要很低，同時有些產(chǎn)品功耗需要很低，電池幾年一換，剛好ZigBee可以滿足這一系列的條件。例如可以將ZigBee運用于以下系統(tǒng)中：窗簾智能控制系統(tǒng)、門磁系統(tǒng)、紅外煙霧檢測系統(tǒng)、家庭照明控制系統(tǒng)等。這些應(yīng)用場景大多需要可擴展性強，節(jié)點數(shù)量多，并且非常容易使用，這一類系統(tǒng)使用ZigBee將是非常合適的。

4? 結(jié)? 論

物聯(lián)網(wǎng)的時代將向著工業(yè)自動化、建筑智能化、家庭智能化全面發(fā)展，對于這些場合的能耗、可靠性、安全性、組網(wǎng)容量、成本都有較高的要求，而ZigBee的5大特點剛好滿足這些場合的需求，并且ZigBee憑借其所具備的這5大特點，在眾多無線技術(shù)中表現(xiàn)得非常出色，有著不可替代的作用，相信ZigBee無線通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)時代將會有非常龐大的市場需求。

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作者簡介：王琳煜（1992-），男，漢族，廣東汕頭人，嵌入式軟件工程師，本科，研究方向：通信技術(shù)及應(yīng)用;郭創(chuàng)建（1991-），男，漢族，廣東汕頭人，嵌入式軟件工程師，本科，研究方向：通信技術(shù)及應(yīng)用。