ZigBee技術(shù)的研究與應(yīng)用

張少凡　魏長軍　張少敏

摘要：ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已成為當(dāng)前的一個研究和應(yīng)用熱點(diǎn)，ZigBee是一種低功耗、低速率、低成本、近距離的新興無線通信技術(shù)，它具有廣泛的應(yīng)用前景，本文首先介紹了ZigBee協(xié)議體系和組網(wǎng)方式和網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，接著概述了ZigBee技術(shù)目前的應(yīng)用，最后對ZigBee技術(shù)提出展望。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無線通信技術(shù)；協(xié)議體系；組網(wǎng)方式

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）02-0261-03

ZigBee Technology Research and Application

ZHANG Shao-fan1， WEI Chang-jun1， ZHANG Shao-min2

（1. ShenYang Ligong University，Shenyang 110159， China； 2. College of Information and Business， North University of China， Yuci 030600， China）

Abstract： Nowadays， ZigBee wireless sensor network has become a research and applied hotspot. ZigBee is a new wireless communication technology with low power ， low data rate， low cost and close range. It has wide application prospect. This paper introduces ZigBee protocol system and network mode and network implementation. Then， It will be summarized the application of ZigBee technology. Finally， the prospect of ZigBee technology is put forward.

Key words： ZigBee；wireless communication technology；protocol system；network mode

1 概述

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低速率、低功耗、低成本的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee是在IEEE 802.15.4的無線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)上建立的。主要由IEEE 802.15.4小組和ZigBee聯(lián)盟兩個組織負(fù)責(zé)制定標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范。ZigBee是由65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺， 每一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)模塊之間可以進(jìn)行通信， 每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾千米；另外，整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)不僅可以無限擴(kuò)展，而且還可以與各種傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接[1]。ZigBee技術(shù)主要應(yīng)用在低速率無線通信領(lǐng)域，如：家庭自動化、家庭安全、工業(yè)與環(huán)境監(jiān)控、個人醫(yī)療看護(hù)等行業(yè)中的。

2 ZigBee協(xié)議體系和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

2.1 ZigBee協(xié)議體系

ZigBee協(xié)議棧是在IEEE 802.15.4的基礎(chǔ)上建立的，IEEE 802.15.4是低速率個域網(wǎng)（LR-WPAN）的標(biāo)準(zhǔn)，只定義了ZigBee的物理（PYH）層和媒體接入控制（MAC）層，屬于IEEE 802.15.4工作組，而ZigBee聯(lián)盟規(guī)定了ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer，NWK）、應(yīng)用層（Application Layer，APL）和安全服務(wù)提供層。其中應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（Application Support Sub-Layer，APS）、應(yīng)用架構(gòu)層（Application Framework，AF）、ZigBee設(shè)備對象（ZigBee Device Objects，ZDO）及制造商定義的應(yīng)用對象[2]。ZigBee協(xié)議的體系架構(gòu)如圖1所示。

2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的成員按照功能劃分分為終端節(jié)點(diǎn)ZE（ZigBee EndDevice）、路由節(jié)點(diǎn)ZR（ZigBee Router）和協(xié)調(diào)器ZC（ZigBee Coordinator）3種節(jié)點(diǎn)類型。ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持IEEE 802.15.4定義的兩種類型的物理設(shè)備：全功能設(shè)備（Full Function Device，F(xiàn)FD）、精簡功能設(shè)備（Reduce Function Device，RFD）[2]。FFD和RFD是按照節(jié)點(diǎn)的功能區(qū)分的，其中FFD可以作為網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，而RFD只能與FFD設(shè)備通信，只能用于終端設(shè)備。ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、多個路由器和多個終端設(shè)備[3]。

ZigBee設(shè)備類型及其功能描述見表1。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要有3種組網(wǎng)方式：星型網(wǎng)絡(luò)、樹型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。星形拓?fù)涫亲詈唵蔚耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個協(xié)調(diào)器和多個終端設(shè)備組成，但不包含路由器節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)不能進(jìn)行多跳傳輸、數(shù)據(jù)能夠傳輸?shù)淖畲缶嚯x既是一個設(shè)備的無線通信距離。網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能提供多條路徑，可靠性更高，但是設(shè)備不能休眠，功耗大；且設(shè)備幾乎全是FFD，成本較高。相對而言，樹形網(wǎng)絡(luò)一方面可以提供較大的傳輸距離，另一方面終端節(jié)點(diǎn)使用時間長，同時成本相對不是太高。所以在實(shí)際運(yùn)用中根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。

2.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

一個完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立需要兩個步驟：網(wǎng)絡(luò)初始化；節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。其中節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)又包括兩個步驟：通過協(xié)調(diào)器連接入網(wǎng)；通過已有主節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)起的，任何一個ZigBee節(jié)點(diǎn)要組建一個網(wǎng)絡(luò)必須滿足以下兩點(diǎn)要求：節(jié)點(diǎn)是FFD節(jié)點(diǎn)，具備ZigBee協(xié)調(diào)器的能力；節(jié)電還沒有與其他網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)與其他網(wǎng)絡(luò)連接時，此節(jié)點(diǎn)只能作為該網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)，因?yàn)橐粋€ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只能有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。圖3是ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立過程[4][5]。

3 ZigBee技術(shù)應(yīng)用

3.1 ZigBee技術(shù)應(yīng)用概述

ZigBee技術(shù)有效的填補(bǔ)了低功耗、低成本和低速率無線通信市場的空缺，而其能取得廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵不在于ZigBee技術(shù)本身，而在于豐富而便捷的應(yīng)用。ZigBee技術(shù)目前還沒有取得類似傳統(tǒng)計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心應(yīng)用（如互聯(lián)網(wǎng)的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，WIFI與無線接入互聯(lián)網(wǎng)，移動數(shù)據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)3G/4G等），其在應(yīng)用設(shè)計和實(shí)現(xiàn)、通信協(xié)議、路由算法和市場推廣等方面還需要研究[6]。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有體積小、低功耗、低成本、低速率、近距離、時延高、高安全以及頻段免執(zhí)照等特點(diǎn)，能夠用在藍(lán)牙、WIFI、超寬帶（UWB）、手機(jī)及其他無線技術(shù)不能覆蓋的大部分應(yīng)用領(lǐng)域。以下是ZigBee在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。

工業(yè)監(jiān)測：如對油氣生產(chǎn)、運(yùn)輸和勘測進(jìn)行管理，對工業(yè)設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

公共場所：煙霧探測器、空氣質(zhì)量（如PM2.5）檢測等。

家庭和樓宇網(wǎng)絡(luò)：監(jiān)控水電氣計量、自動控制照明和門禁系統(tǒng)控制等。

農(nóng)業(yè)控制：農(nóng)業(yè)機(jī)械、土壤PH值、農(nóng)田環(huán)境等監(jiān)控。

3.2 ZigBee技術(shù)典型應(yīng)用：智能家居

基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，家庭網(wǎng)關(guān)和若干個ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)模塊組成星形結(jié)構(gòu)的家庭傳感器網(wǎng)絡(luò)。其中，家庭網(wǎng)關(guān)是FFD，由它建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，掌管系統(tǒng)的正常運(yùn)行，智能家居網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：完成家居內(nèi)部各傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信，并對各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制；實(shí)現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的互連。當(dāng)用戶想要遠(yuǎn)程獲得內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的信息時，就可以通過智能手機(jī)或 PC 機(jī)登錄家居網(wǎng)關(guān)的 WEB 服務(wù)器進(jìn)行相應(yīng)的查詢。

其他的ZigBee子節(jié)點(diǎn)模塊是RFD設(shè)備用來完成數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)響應(yīng)、控制設(shè)備等。物理接口是網(wǎng)絡(luò)的信息管理的核心部分，作為家庭網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)之間的橋梁，物理層接口完成家庭網(wǎng)關(guān)的和傳感器節(jié)點(diǎn)間通信，并且能使家庭網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)之間能夠相互理解通信的內(nèi)容，但是終端節(jié)點(diǎn)只能與網(wǎng)關(guān)之間進(jìn)行通信，互相不能進(jìn)行通信。

4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)的融合將帶來全新應(yīng)用。如，ZigBee無線傳感器與Internet、移動通信網(wǎng)的融合，一方面使ZigBee無線傳感器通過傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可以利用傳感信息實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的創(chuàng)新。另外，將ZigBee無線傳感器作為信息采集的基礎(chǔ)設(shè)施融合進(jìn)網(wǎng)絡(luò)體系，構(gòu)建一種全新的基于ZigBee無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)體系。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)專注于探測和收集環(huán)境信息；復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和存儲等服務(wù)交給網(wǎng)絡(luò)來完成，將為大型的軍事應(yīng)用、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)生產(chǎn)等應(yīng)用領(lǐng)域提供一個集成數(shù)據(jù)感知、密集處理和海量存儲為一體的強(qiáng)大的操作平臺。

參考文獻(xiàn)：

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