“紫蜂”（ZigBee）通信技術(shù)分析

呂海燕+馬旭光

摘 要：隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的快速發(fā)展，人們對無線通信的要求越來越高。“紫蜂”（ZigBee）技術(shù)作為一種特殊的無線通信技術(shù)，具有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、短距離、低速率等特點(diǎn)，能夠廣泛地運(yùn)用在自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)測以及當(dāng)前最熱門的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。文章具體分析了 “紫蜂”（ZigBee）通信技術(shù)。

關(guān)鍵詞：紫蜂技術(shù)；技術(shù)特點(diǎn)；軍事應(yīng)用

1 “紫蜂”（ZigBee）技術(shù)簡介

“紫蜂”是ZigBee的中文譯名，是一種新興的雙向無線通信技術(shù)，具有短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用在自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。ZigBee一詞來源于蜜蜂的八字舞，當(dāng)蜜蜂發(fā)現(xiàn)花粉位置時(shí)，蜜蜂（bee）會(huì)飛翔和“嗡嗡”（zig）地抖動(dòng)翅膀，通過這種“舞蹈”與同伴傳遞信息，通報(bào)花粉所在方位，構(gòu)成了蜂群的通信網(wǎng)絡(luò)。也就是說，ZigBee就是一種低成本的、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信技術(shù)。它有統(tǒng)一的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，在成百上千個(gè)微小的傳感器之間協(xié)調(diào)一致達(dá)成通信。這些傳感器只需要極少的能量，就能通過無線電波以接力的方式將數(shù)據(jù)相互傳遞，通信效率高。這些數(shù)據(jù)還可以通過其他通信技術(shù)遠(yuǎn)程傳輸或是進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于分析（見圖1）。

ZigBee技術(shù)使用的頻率：全球范圍2.4GHz、歐洲868MHz、美國915MHz。其定義了全功能設(shè)備（FFD，full functional device）和簡化功能設(shè)備（RFD，reduced functional device）。其中，F(xiàn)FD是具有路由與中繼功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可作為協(xié)調(diào)器與路由器使用，RFD只能作為終端節(jié)點(diǎn)使用。每個(gè)FFD能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議優(yōu)化最短和最可靠的路徑，如果其中一個(gè)FFD失去了路由或斷網(wǎng)，則另一個(gè)鄰近的FFD將快速替代。因此，ZigBee具有發(fā)達(dá)的動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和自維護(hù)功能。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有：星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)。

2 “紫蜂”（ZigBee）技術(shù)的特點(diǎn)

與其他無線通信技術(shù)相比，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)有：

低功耗。2節(jié)AA電池可支持1個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)待機(jī)工作6～24個(gè)月，甚至可以持續(xù)更長時(shí)間。

低速率。可分別提供250千比特/秒（2.4GHz）、40千比特/秒（915MHz）和20千比特/秒（868MHz）的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

低成本。由于其通信協(xié)議相比傳統(tǒng)通信協(xié)議大大簡化，降低了對通信控制器的要求，其開發(fā)成本較低。

近距離。相鄰節(jié)點(diǎn)之間傳輸距離在10～100米之間，增加射頻發(fā)射功率可以增大到1～3千米。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間的通信接力，傳輸距離將達(dá)到更遠(yuǎn)。

短時(shí)延。響應(yīng)速率較快，只需15毫秒即可從睡眠待機(jī)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30毫秒。

高容量。ZigBee可采用星狀、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，1個(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)還可由上一層的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成包括6.5萬個(gè)通信節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò)。

高安全性。ZigBee提供了3級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制列表防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)的對稱密碼，可以合理確定其安全屬性。

3 “紫蜂”（ZigBee）技術(shù)的軍事應(yīng)用

基于上述特點(diǎn)，ZigBee無線通信技術(shù)在軍事領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值，不僅為部隊(duì)的日常勤務(wù)和作戰(zhàn)行動(dòng)帶來極大便利，甚至有可能導(dǎo)致作戰(zhàn)方式的變革。

一是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量低成本、具有傳感數(shù)據(jù)處理和無線通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)，通過自組織方法形成的網(wǎng)絡(luò)。未來信息化戰(zhàn)場通過布設(shè)大量的傳感器來收集和傳輸戰(zhàn)場信息，經(jīng)過處理后再把重要的信息送到各數(shù)據(jù)融合中心，從而形成戰(zhàn)場的全維態(tài)勢圖。ZigBee則是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種不可或缺的通信技術(shù)。美軍提出的“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)”概念中，就是應(yīng)用ZigBee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。

二是戰(zhàn)場監(jiān)控?；赯igBee的低復(fù)雜度特點(diǎn)，利用紅外探測、視頻監(jiān)控、振動(dòng)、壓力、磁和聲光感應(yīng)器等與ZigBee技術(shù)結(jié)合，可以組成一種極低成本的戰(zhàn)場監(jiān)控系統(tǒng)，在戰(zhàn)場環(huán)境周圍形成聲、光、磁、紅外和振動(dòng)感應(yīng)的立體全方位監(jiān)控網(wǎng)。通過無線方式，將監(jiān)視信息匯集并傳遞到中心監(jiān)控站，通過ZigBee具有的多路由功能，保證了監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)具備很高的可靠性和抗破壞能力。

三是軍事偵察機(jī)器人。利用ZigBee模塊為核心的無線控制技術(shù)，可以監(jiān)控和控制各種電子設(shè)備，甚至可以控制軍事偵察機(jī)器人，這種控制功能可以提供多種傳輸速率和距離選擇，控制距離可達(dá)100米到40千米，傳輸速率可以從幾千比特/秒到1.5兆比特/秒。美軍在阿富汗山區(qū)使用的偵察機(jī)器人就是利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制的。

四是軍用物資倉儲和物流管理。ZigBee模塊使用在軍用倉庫中，具備溫度、濕度和光線強(qiáng)度傳感器功能，能夠持續(xù)監(jiān)控倉庫內(nèi)部的環(huán)境溫濕度和光線強(qiáng)度，并將監(jiān)控實(shí)時(shí)信息及時(shí)上傳網(wǎng)絡(luò)控制中心，再由控制中心將處理過的信息以命令形式發(fā)送給相應(yīng)的控制設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)溫度、濕度和光線強(qiáng)度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。如果將ZigBee與射頻識別技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，就可以有效地掌握軍用物資的存儲和運(yùn)輸狀態(tài)，提高物流管理能力。

五是單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)。將ZigBee模塊與生物傳感器結(jié)合使用，可以將單兵的生命體征數(shù)據(jù)收集并傳送到單兵所攜帶的穿戴式計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳送到指揮中心，指揮員就可以實(shí)時(shí)掌握部隊(duì)的戰(zhàn)斗力狀態(tài)。如果與其他傳感器結(jié)合，還可以對敵方核、生、化沾染情況和其他偵察數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理，并發(fā)送到指揮中心。

此外，ZigBee技術(shù)還可用于指揮所內(nèi)部自動(dòng)控制、區(qū)域人員定位、重要人員看護(hù)和重要作戰(zhàn)平臺狀態(tài)監(jiān)控等領(lǐng)域。

Analysis on ZigBee Communication Technology

Lv Haiyan， Ma Xuguang

（Academy of National Defense Information， Wuhan 430010， China）

Abstract： With the rapid development of network and communication technology，people more and more high to the requirement of wireless communication. ZigBee communication technology as a kind of a unified technical standard of short distance，low rate of wireless communication technology，can be widely used in automatic control，remote monitoring，as well as the current most popular field of Internet of things.

Key words： ZigBee communication technology； technology characteristics； military application