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浅析ZigBee技术及其应用

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浅析ZigBee技术及其应用

作者：董珍珍 杨 云

来源：《科技视界》 2012年第24期

董珍珍 杨 云

（河南工业职业技术学院 河南 南阳 473000）

【摘 要】ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络技术。本文探析了ZigBee无线网络技术的优点、协议栈架构、网络构建，并对ZigBee技术的应用做了简单探讨。

【关键词】ZigBee；物联网；IEEE802.15.4

物联网是利用传感/识别器和网络等技术，将物理世界、数字世界以及人类社会等诸多对象连接起来，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”， 实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等。其实质是利用感知层、网络层和应用层关键技术，通过因特网实现物体商品的自动识别和信息的互联与共享。ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络技术。ZigBee技术以其经济、可靠、高效等优点在物联网中有着良好的应用前景。

１ ZigBee简介

ZigBee 是IEEE802．15．4协议的代名词。这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

ZigBee技术具有以下特点：

１．１ 低功耗：省电，两节5号电池支持长达6－24个月的使用时间。

１．２ 可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突，具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证信息传输的可靠性。

１．３ 成本低：ZigBee 只需要80C51 之类的低档处理器以及少量的软件即可实现， 无需主机平台，降低了对通信控制器的要求，成本不到蓝牙的十分之一。

１．４ 网络容量大：ZigBee可采用星形、树状和网状网络拓扑结构。每个ZigBee网络最多可支持255个节点，而且网络协调器可以相互连接，整个网络的节点数目十分可观，最多可以组成有65000个节点的大网。

１．５ 时延短：针对时延敏感的应用进行了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。

１．６ 安全：ZigBee提供了数据完整性检查功能，加密算法采用通用的AES-128。

２ ZigBee技术

2.1 ZigBee 协议栈

ZigBee 标准采用分层结构， 根据开放式通信系统互联模型，具有物理层（PHY）、 媒体介质访问层（MAC）、网络层（NWK）、和应用层（APL）。网络层和应用层的协议有 ZigBee 联盟制定，IEEE802．15．4 标准定义物理层和媒体介质访问层。

2.1.1 物理层（PHY）

物理层定义了物理无线信道和与MAC层之间的借口，提供物理层数据服务物理层管理服务。物理层数据服务是从无线物理信道上收发数据，物理层管理服务维护一个由物理层相关数据组成的数据库。

IEEE802．15．4工作在工业科学医疗（ISM）频段，它定义了两种物理层，即2.4GHz频段和868/915MHz频段物理层。两种物理层都基于直接序列扩频（DSSS），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频段、调制技术、扩频码片长度和传输速率。面许可证的2.4GHz频段有16个速率为250kbit/s的信道，915MHz频段有10个40kbit/s的信道，而868MHz频段只有1个20kbit/s的信道。

物理层的功能包括： ZigBee 的激活；当前信道的能量检测；接收链路服务质量信；ZigBee 信道接入方式；信道频率选择；数据传输和接收。

2.1.2 媒体介质访问层（MAC）

MAC 层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；持 PAN（个域网）

连接和分离，提供两个对等 MAC 实体之间可靠的链路。MAC 层提供两种服务：MAC 层数据服务和MAC 层管理服务。前者保证MAC 协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者从事MAC 层的管理活动，并维护一个信息数据库。

MAC 层功能包括：网络协调器产生信标；与信标同步；支持 PAN（个域网）链路的建立和断开；为设备的安全性提供支持；信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入（CSMA-CA）机制；处理和维护保护时隙（GTS）机制；在两个对等的 MAC 实体之间提供一个可靠的通信链路。

2.1.3 网络层（NWK）

ZigBee 协议栈的核心部分在网络层。网络层负责拓扑结构的建立和维护网络连接，主要功能包括设备连接和断开网络时所采用的机制，以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制。网络层实现的功能包括：网络发现；网络形成；允许设备连接；路由器初始化；设备同网络连接；直接将设备同网络连接；断开网络连接；重新复位设备；接收机同步；信息库维护。

2.1.4 应用层（APL）

ZigBee 应用层框架包括应用支持层（APS）、ZigBee 设备对象（ZDO）和制造商所定义的应用对象。

应用支持层的功能包括：维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。例如在家居照明控制灯中，灯和遥控开关的绑定。ZigBee 设备对象（ZDO）的功能包括：定义设备在网络中的角色（如 ZigBee 协调器和终端设备），发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。ZigBee 设备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务。ZigBee 应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。

2.2 ZigBee网络构建

在ZigBee网络中，根据设备所具有的通信能力可以分为全功能器件（FFD）和精简功能器件（RFD）。FFD之间可以相互通信，同时FFD也可以和RFD进行通信，而RFD只能与FFD通信，而不能与其它RFD通信。ZigBee网络中网络协调器主要负责网络的建立及相关配置，路由器负责寻找、建立以及修复网络报文的路由信息，网络终端设备具有加入和日推出网络的功能。其中网络协调器和路由器是FFD，而终端设备一般由RFD组成。协调器的角色主要涉及网络的启动和配置，一旦这些都完成后，协调器的工作就像一个路由器或者消失。

ZigBee网络根据应用的需要可以组成星形网络、网状网络和簇状网络3中拓扑结构。如图1所示。在星型拓扑中，网络由一个中心节点控制，即网络协调器，其它节点成为ZigBee末端节点，直接与协调器通信。在簇形拓扑中，网络协调器是“树的根部”，路由器是“树的枝干”，而末端节点就是“树的叶子”，两个节点之间路由遵循树路由方式，只能沿着树的路径进行数据传输。在网状网络中，拓扑比较灵活，协调器可以和路由器、终端设备之间进行通信，路由器之间也可以进行相互通信。

对于ZigBee网络来说，其常见的有两种拓扑结构,即星型拓扑和点对点拓扑，每个ZigBee网络至少需要一个全功能设备实现网络协调功能，终端设备可以是精简功能设备用来降低系统成本。ZigBee采用自组织（ad-hoc）方式组网，该架构被称为无基础构架的无线局域网，这种架构对网络内部的设备数量不加限制,并可随时建起无线通信链路。

３ ZigBee技术应用

3.1 ZigBee在智能家庭网络系统中的应用

ZigBee智能家庭网络系统旨在运用ZigBee技术构建一个模拟的家居监测控制系统，可以用若干个支持ZigBee技术的模块安装在电视、照明设备、遥控器、门禁系统、空调系统和其他家电产品中，通过ZigBee收集各种信息，传送到中央控制装置，或通过遥控达到远程控制之目的，使家居生活更朝向智能化、自动化、人性化，有效增加人们居住环境的方便性与舒适度。

3.2 ZigBee病房呼叫系统

在医院，时间就是生命，ZigBee网络可以帮助医生和患者争取每一秒的时间。基于ZigBee网络的病房呼叫系统由中心控制协调器、呼叫转移路由节点、床头无线呼叫终端组成。可以根据医院的实际情况，将楼层划分为几个网络，各楼层的病区值班中心安装网络协调器，协调器直接与控制中心主机相连接，由控制中心主机对呼叫系统进行统一管理。各病房的每一病床安装便携式呼叫终端，楼层过道安放路由器节点，从而实现呼叫求救功能，医务人员可以迅速的进行救助或通知最近的医务人员前去救助。

3.3 智能建筑领域

在建筑智能化领域中，利用ZigBee网络技术，可以监测到建筑物内可能发生的火灾隐患、煤气泄漏并及早提供相关信息；在大的酒店里，根据人员分布情况自动控制中央空调的温度，实现能源的节约。在车站，持有ZigBee终端的乘客们可以随时得到导航信息，比如进站口的位置，车次到开的变动等。

４ 结束语

本文介绍了ZigBee技术的特点，协议栈各层能够实现的功能及网络构建方式，并对ZigBee技术的应用做了简单介绍。作为一种新兴的物联网技术，ZigBee还在不断地完善，它所具备的技术优势决定了其广阔的应用前景。相信在不久的将来，ZigBee技术必将会得到广泛应用，给我们的生活带来更大的便捷。

【参考文献】

［1］候洪丽，张霄霞，王福明．ZigBee无线传输技术综述[J]．山西电子技术，2011（4）．

［2］高雨明．浅析ZigBee无线传输技术及其应用[J]．信息与电脑，2010，8．

［3］徐丽萍．ZigBee技术浅析[J]．南京工业职业技术学院学报，2011，12，11（4）

［4］高守玮，吴灿阳．ZigBee技术实践教程[M]．2011，7．

［责任编辑：周娜］

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浅析ZigBee技术及其应用

作者：董珍珍 杨云

来源：《科技视界》2012年第24期

【摘 要】ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络技术。本文探析了ZigBee无线网络技术的优点、协议栈架构、网络构建，并对ZigBee技术的应用做了简单探讨。

【关键词】ZigBee；物联网；IEEE802.15.4

物联网是利用传感/识别器和网络等技术，将物理世界、数字世界以及人类社会等诸多对象连接起来，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”， 实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等。其实质是利用感知层、网络层和应用层关键技术，通过因特网实现物体商品的自动识别和信息的互联与共享。ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络技术。ZigBee技术以其经济、可靠、高效等优点在物联网中有着良好的应用前景。

１ ZigBee简介

ZigBee 是IEEE802．15．4协议的代名词。这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

ZigBee技术具有以下特点：

１．１ 低功耗：省电，两节5号电池支持长达6－24个月的使用时间。

１．２ 可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突，具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证信息传输的可靠性。

ZigBee技术及其应用

ZigBee技术及其应用

ZigBee技术及其应用低压电器

(2005№7)

作　者

:江修波

(

19602)

,男

,讲师,

主要研究方向为电工电子新技术及其

应用

。计算机及

PLC应用 ZigBee技术及其应用

江修波

(福州大学电气工程与自动化学院

,福建福州　

350002)

摘　要

:介绍了具有低速率、低成本、低功耗的特点

,基于

IEEE802.15.4的无线

通信协议———

ZigBee及其技术

,阐述了

ZigBeeMesh的主要技术特征和组网方式

,并综

述了

ZigBee技术在家居控制、楼宇自动化和工业自动化领域的应用特点。

关键词

:ZigBee技术

;Mesh网络

;家居控制

;楼宇自动化

;工业自动化

中图分类号

:TP393.03　文献标识码

:A　文章编号

:10012

5531(

2005)

072

00272

03

ZigBeeTechnologyandItsApplication

JIANGXiu2

bo

(

CollegeofElectricalEgineeringandAutomation,

FuzhouUniversity,Fuzhou350002,China)

Abstract:BasedonIEEEStandard802.15.4,withcharacteristicsoflow2

rate,low2

cost,andlow2

power,the

wirelesscommunicationprotocolZigBeewasintroduced,themaintechnicalfeaturesandconfigurationmodeof

ZigBeeMeshwereexpounded,theapplicationspecialitiesofZigBeeinhomecontrol,buildingautomationand

industryautomationweresummarizedinthispaper.

Keywords:ZigBeetechnology;Meshnetwork;homecontrol;buildingautomation;industryautoma2

ZigBee技术发展及其特点

ZigBee技术发展及其特点

第2章 ZigBee技术及协议分析

2.1 ZigBee技术的发展及其特点]1[

长期以来，低成本、短距离、低传输率、低功率的无线通讯市场一直存在着。蓝牙（Bluetooth）技术的出现曾让玩具制造商、家庭自动化控制以及工业控制等业界从业者兴奋不已，尽管蓝牙技术有很多优点，但是高昂的价格和其存在的技术缺陷严重影响了这些厂商的使用意愿。对于工业控制、家庭自动化控制等领域而言，蓝牙技术过于复杂、功耗过大、距离近、组网规模达不到应用要求等，而工业自动化等领域对无线通信的需求越来越大。因此，经过人们的努力，于2004年正式推出了ZigBee协议规范。

ZigBee的发展基础是IEEE802.15.4标准，它是一种新型的短距、低速、低功耗的无线通信技术，其前身是INTEL、IBM等产业巨头发起的“HomeRF Lite”无线技术。负责起草IEEE802.15.4标准的工作组于2000年成立，2002年美国摩托罗拉（Motorola）公司、荷兰菲利普斯（Philips）公司、英国Invensys公司、日本三菱电器公司等发起成立了ZigBee联盟，。到目前为止，ZigBee联盟已有200多家成员企业，而且还在迅速壮大中。这些企业包裹半导体生产商、IP服务提供商以及消费类电子厂商等，而这些公司都参加了IEEE802.15.4工作组，为ZigBee物理和媒体控制层技术标准的建立做出了它们的贡献。

2004年ZigBee1.0（又称ZigBee2004）诞生，它是ZigBee的第一个规范，这使得ZigBee有了自己的发展基本标准。但是由于推出仓促存在很多不完善的地方，因此在2006年进行了标准的修订，推出了ZigBee1.1（又称ZigBee2006），但是该协议与ZigBee1.0是不兼容的。ZigBee1.1相较于ZigBee1.0做了很多修改，但是ZigBee1.1仍无法达到最初的设想，于是在2007年再次修订（称为ZigBee2007/PRO），能够兼容之前的ZigBee2006，并且加入了ZigBee PRO部分，此时ZigBee联盟更专注于以下三种应用类型的拓展：家庭自动化（HA）、建筑/商业大楼自动化（BA）以及先进抄表基础建设（AMI）。

ZigBee技术及其应用研究

ZigBee技术及其应用研究

２００７年１２月刊　（总第１Ｏ０期）　大众科技　ＤＡＺＨＯＮＧ　ＫＥ　Ｊ　２００７．１２　（Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｌｙ　Ｎｏ．１　ＯＯ）　

Ｚ　ｉ　ｇＢｅｅ技术及其应用研究　

樊冰，孙文胜　（杭州电子科技大学通信工程学院，浙江杭州３１００１８）　

【摘要】ＺｉｇＢｅｅ无线网络具有低功耗、低成本和短延时等优势，被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新　￣ａｖｅ．－。对ＺｉｇＢｅｅ技术特点、协议进行了介绍，并与几种无线传输技术进行了比较，最后提出了Ｚｉｇ，Ｂｅｅ在监控系统中的应　用方案。　【关键词】ＺｉｇＢｅｅ；无线通信；应用　【中图分类号】ＴＮ９２５　【文献标识码】Ａ　【文章编号】１００８—１１５１（２００７）１２—００３１—０２　（一）引言　２０００年１２月ＩＥＥＥ成立了ＩＥＥＥ８０２．１５．４工作组，致力于　定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用，且复杂度、成　本和功耗均很低的低速率无线连接技术。２００１年８月成立的　ｚｉｇＢｅｅ联盟就是一个针对该技术成立的产业联盟。该联盟致　力于近距离、低复杂度、低数据速率、低成本的无线网络。　ＺｉｇＢｅｅ联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子　设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。　本文在比较研究ｚｉｇＢｅｅ技术的基础上，将ｚｉｇＢｅｅ无线网　络技术应用于监控系统，不但提供更大的灵活性、流动性，并　且节省了花在综合布线上的费用和精力，具有十分广阔的应用　前景。　（二）ｚｉｇＢｅｅ技术介绍　ｚｉｇＢｅｅ是基于ＩＥＥＥ　８０２．１５．４的无线通信协议。ｚｉｇＢｅｅ　标准要解决的问题是设计一个维持最小流量的通信链路和低　复杂度的无线收发信机。要考虑的核心问题是低功耗和低价格　的设计，这就要求该标准应提供低带宽、低数据传输率的应用。　１．ＺｉｇＢｅｅ的特点　（１）低功耗：ｚｉｇＢｅｅ模块的整体功耗非常低，其发射功　率仅为ｌｍＷ。据估算，ＺｉｇＢｅｅ设备仅靠２节标准５号电池就可　以维持长达６个月到２年左右的使用时间。　（２）成本低：Ｚ．ｉｇＢｅｅ数据传输速率低，协议简单，所以　大大降低了成本。　（３）时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都很短，　新的随动设备搜索时延为３０ｍｓ，休眠激活的时延是１５ｍｓ，活　动设备信道接入的时延为１５ｍｓ。　（４）网络容量大：一个星型结构的ｚｉｇＢｅｅ网络最多可以　容纳２５４个从设备和１个主设备，一个区域内最多可以同时存　在１００个独立而且互相重叠覆盖的ｚｉｇＢｅｅ网络。　（５）可靠：ｚｉｇＢｅｅ在物理层采用直接序列扩频ＤＳＳＳ和　频率捷变ＦＡ技术，有强的抗干扰和多径能力；在ＭＡｃ层采取　了碰撞避免策略ＣＳＭＡ／ＣＡ，同时为需要固定带宽的通信业务预　留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。　（６）安全：ｚｉｇＢｅｅ提供了基于循环冗余校验（ＣＲＣ）的数　据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了ＡＥＳ一１２８的　加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。　２．协议结构　ＺｉｇＢｅｅ的协议结构如图１所示，　完整的ｚｉｇＢｅｅ协议套　件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理　层组成。网络层以上协议由ＺｉｇＢｅｅ联盟制定，ＩＥＥＥ８０２．１５．４　负责物理层和链路层标准。　应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到ｚｉｇＢｅｅ网络　上，具体而言包括：（１）安全与鉴权；（２）多个业务数据流的　会聚；（３）设备发现；（４）业务发现。　网络层将主要考虑采用基于ａｄ　ｈｏｅ技术的网络协议，应　包含以下功能：（１）通用的网络层功能：拓扑结构的搭建和维　护，命名和关联业务，包含了寻址、路由和安全；（２）同　ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准一样，非常省电；（３）有自组织、自维护　功能，以最大程度减少消费者的开支和维护成本。