ZigBee技術(shù)應(yīng)用研究

趙建偉

摘 要：隨著智能設(shè)備的普及和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展出現(xiàn)了各種無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，本文主要對ZigBee協(xié)議進(jìn)行應(yīng)用研究，通過分析Zigbee技術(shù)的特點(diǎn)，探討這種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用場景和應(yīng)用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：ZigBee 智能家居 無線傳感網(wǎng)

中圖分類號：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（a）-0010-01

近年來，隨著智能設(shè)備的普及和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)得到了快速發(fā)展，在此過程中也出現(xiàn)了各種無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，如WiFi、Wireless usb、Bluetooth、Z-wave等，不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)著不同的應(yīng)用場景和應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和研究也得到了快速發(fā)展，各種無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)也日漸規(guī)范化。其中不得不提的，廣泛應(yīng)用并且最具增長潛力的協(xié)議就是ZigBee協(xié)議。

1 什么是ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種面向短距離、架構(gòu)簡單、具備延長電池壽命、低消耗功率與低傳輸速率的無線通訊技術(shù)，具有傳輸距離長、可靠度高、省電以及高度擴(kuò)充性等特點(diǎn)，主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

2 ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)

2.1 低傳輸速率

Zigbee標(biāo)準(zhǔn)是為低數(shù)據(jù)率、短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信定義的一系列通信協(xié)議?；赯igbee無線設(shè)備工作在868 MHz，915 MHz和2.4 GHz頻段，最大數(shù)據(jù)數(shù)率是250 kpbs。

2.2 低功耗

由于ZigBee的傳輸最大數(shù)據(jù)數(shù)率是250 kpbs，發(fā)射功率極低僅為1 mW，再加上采用了休眠模式，功耗低，因此，ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，在低耗電模式下，一個(gè)ZigBee設(shè)備節(jié)點(diǎn)僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間。

2.3 低成本

通過大幅簡化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32 KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4 KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)。低成本對于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。

2.4 近距離

ZigBee傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后，也可以增加到1～3 km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

2.5 短時(shí)延

ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3～10 s、WiFi需要3 s。

2.6 高容量

ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。

2.7 高安全性

ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES128）的對稱密碼，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

3 ZigBee技術(shù)的應(yīng)用場景和應(yīng)用領(lǐng)域

3.1 智能家居

智能家居是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)將家庭中的各種設(shè)備如照明系統(tǒng)環(huán)境控制安防系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)家電通過家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一起。

據(jù)最新數(shù)據(jù)顯示，2013年智能家居全球市場規(guī)?；蛞堰_(dá)1萬億美元，到2020年，中國智能家居產(chǎn)值將會(huì)達(dá)到2萬億元。與此同時(shí)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和成熟，為智能家居設(shè)備的應(yīng)用提供了環(huán)境基礎(chǔ)，智能家居需求呈上升勢頭。

智能家居是ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)主要應(yīng)用領(lǐng)域，智能家居中典型的數(shù)據(jù)速率僅有10 kps。例如ZigBee抄表系統(tǒng)，不但可以傳輸每月的水電使用數(shù)據(jù)，同時(shí)檢測設(shè)備存在的問題，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的無線管理。如果壁燈和開關(guān)都配備了ZigBee設(shè)備，那么，室內(nèi)的任何開關(guān)都可以被指派來打開和關(guān)閉一盞電燈。

ZigBee智能家居的安裝非常簡單，不要鑿壁布線，用戶按照說明書在家就可以就地DIY，且設(shè)備移動(dòng)性強(qiáng)，可以隨時(shí)更換設(shè)備安裝地點(diǎn)。

隨著全球?qū)δ茉春铜h(huán)境的要求越來越高，而ZigBee在智能家居節(jié)能方面的效果優(yōu)勢非常明顯，因此，具有非常廣闊的市場前景。ZigBee無線通信技術(shù)應(yīng)用到智能家居中必將成為將來的發(fā)展趨勢和潮流。

3.2 智能醫(yī)療

為節(jié)省全球人口高齡化所衍生的醫(yī)療成本支出，減少民眾親自到醫(yī)療院所進(jìn)行例行性的檢查已成為解決之道，而此須依靠內(nèi)置無線通信技術(shù)的新型醫(yī)療設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。在眾多可打造遠(yuǎn)程醫(yī)療設(shè)備的無線通信技術(shù)中，ZigBee以低功耗、高傳輸距離，以及較佳的抗干擾能力備受青睞。

在國內(nèi)，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)的快速發(fā)展，醫(yī)療的各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域如診斷、監(jiān)護(hù)、治療等都將進(jìn)入智能化時(shí)代。其中病人遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)和居民健康監(jiān)察是重要的應(yīng)用場景。家庭醫(yī)療用設(shè)備的數(shù)量將會(huì)大幅成長，并遠(yuǎn)超過目前既有的數(shù)目。另外，由于無線連接功能逐漸嵌入到目前許多家用的醫(yī)療監(jiān)控與感應(yīng)產(chǎn)品中，這使得若干原本只存在于醫(yī)療用或長期照護(hù)機(jī)構(gòu)內(nèi)的功能，也逐漸通過無線功能進(jìn)入到家庭當(dāng)中，這樣的轉(zhuǎn)變增加無線傳感技術(shù)新的市場機(jī)會(huì)。對于低數(shù)據(jù)傳輸率、抗噪聲能力、低功率感應(yīng)及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的需求而言，ZigBee仍會(huì)是首選解決方案。

3.3 工業(yè)控制

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的初衷就是為工業(yè)現(xiàn)場自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立的，在工業(yè)級水平上，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以用于能源管理、照明控制、過程控制和資產(chǎn)管理。

在工業(yè)控制領(lǐng)域，這些應(yīng)用場景對低數(shù)據(jù)率、低成本、更長時(shí)間的電池壽命有較高的要求。ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢得以充分的發(fā)揮。在一些ZigBee應(yīng)用中，無線設(shè)備持續(xù)處于活動(dòng)狀態(tài)的時(shí)間是有限的，大部分時(shí)間無線設(shè)備都處于省電模式，ZigBee設(shè)備在電池需要更換以前能夠工作數(shù)年以上。

4 展望

早在2004年ZigBee技術(shù)就被列為當(dāng)今世界發(fā)展最快，市場前景最廣闊的十大最新技術(shù)之一。ZigBee技術(shù)的目標(biāo)就是針對工業(yè)，家庭自動(dòng)化，遙測遙控，汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域。ZigBee非常適合于低功耗、低數(shù)據(jù)速率的監(jiān)視、傳感網(wǎng)絡(luò)。但是任何一種技術(shù)的成功，并不只由其技術(shù)本身的因素決定，市場對技術(shù)成敗也有很大作用。即便如此，今后若干年，都將是ZigBee技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)期。

參考文獻(xiàn)

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