ZigBee短程无线传输技术及其应用

福建省广播电视大学 黄丽军

ZigBee短程无线传输技术及其应用

福建省广播电视大学 黄丽军

ZigBeeTM是专为低速传感器和控制网络设计的无线网络协议，虽然问世不久，但是由于其低功耗、低成本和灵活可靠等优点，已经显示出广阔的市场前景。ZigBee无线网络技术的应用涵盖了工业、民用和医疗等各个领域，包括住宅安防系统、病房警报系统、远程抄表、PC机外设以及工业控制网络等。ZigBee无线协议不仅提供了低复杂性、缩减资源的通信解决方案，而且提供了一组标准化的规范。

一、几种无线传输技术及其比较

1. 蓝牙BlueTooth（IEEE802.15.1）。蓝牙最早是爱立信研发的一种能使手机与其附件（如耳机）之间互相通信的无线模块。蓝牙主要用于通信和信息设备的无线连接，它的工作频段是在 2.4GHz ISM频段，采用了GPSK调制技术和FHSS扩频技术，发射功率分别为0dBm、4dBm和20dBm三级，有效范围大约在10m 半径内。BlueTooth为语音和特定网络提供支持，需要协议栈提供250kB 系统开销，从而增加了系统成本和集成复杂性。另外，BlueTooth对每个Piconet（微微网）只能配置7个节点的限制，制约了其在大型传感器网络开发中的应用。

2. Wi-Fi（IEEE802.11）。Wi-Fi（Wireless Fidelity，无线高保真）也是一种无线通信协议。IEEE802.11的最初规范是在1997 年提出的，主要目的是提供WLAN 接入，也是目前WLAN 的主要技术标准，其工作频率也是2.4GHz。IEEE802.11流行的几个版本包括“a”（在5.8GHz 波段带宽为54MBps）、“b”（波段2.4GHz 带宽为11MBps）、“g”（波段2.4GHz 带宽为22MBps）。这种复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难。由于其优异的带宽是以较大的功耗为代价，因此大多数便携Wi-Fi 装置都需要常规充电。

3. IrDA（红外线数据）。红外线数据协会IrDA（Infrared Data Association）是一种利用红外线进行点对点通信的技术。IrDA 标准的无线设备传输速率已从115.2kBps 逐步发展到4MBps、16MBps。目前，支持它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备（如PDA、手机）上被广泛使用。它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用成本低廉的特点。

4. ZigBee （IEEE802.15.4）。ZigBee的基础是IEEE802.15.4，但是IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。ZigBee技术同样使用2.4GHz波段，采用跳频技术和扩频技术。另外，它可与254个节点联网，节点可以包括仪器和家庭自动化应用设备。它本身的特点使得其在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域有很大的发展空间。

二、ZigBee 技术的主要特点和优势

为了满足类似于传感器的小型、低成本设备无线联网的要求，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。

ZigBee联盟成立于2001年8月。他们制订一个基于IEEE802.15.4、高性价比、低功耗的网络应用规格。到目前为止，除了Invensys、三菱电子、摩托罗拉、三星和飞利浦等国际知名的大公司外，该联盟大约已有百余家成员企业，并在迅速发展壮大。

ZigBee 技术的主要特点有：

1. 功耗低。由于ZigBee 的传输速率低，发射功率仅为1mW，在休眠模式下，电池寿命可长达数年。

2. 成本低。ZigBee 通信模块的单位成本在几美元左右，并且ZigBee 协议是免专利费的。

3. 时延短。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee 技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。

4. 网络容量大。一个星形结构的ZigBee 网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，而且网络组成灵活。

5. 可靠。采取了碰撞避免策略，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。MAC 层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

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-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

三、ZigBee技术的应用

1. ZigBee技术在工业控制领域的应用。在现代工业数字化的基础上，随着计算机软硬件技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平的不断发展，对数据接口的开放性、数据传输的实时性、数据连接的安全性等方面提出了更高的要求。由于传统有线网络本身的局限性，许多特殊环境下的网络覆盖和网络支持仍然是个难题。而无线广域网、无线局域网和无线个人网技术却能提供这些问题的有效解决方案。

在工业控制环境下的短距离无线网络技术已成为近年来业界的研究热点之一，基于BlueTooth （IEEE802.15.1）、W i-Fi（IEEE802.11）和ZigBee（IEEE8002.15.4）等协议的无线网络技术相继问世。在众多无线网络技术中，ZigBee短程无线网技术以其数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低、电池寿命长等优势，在工业控制领域中展现了深厚的发展潜力和广阔的市场前景。

ZigBee技术在工业应用中的优势主要有三点。

（1）可靠性。工业控制环境下对通信网络的首要要求是数据传输的高可靠性。无线通信在数据传输过程中容易受到外界噪声的干扰而发生衰变，为了尽可能减小或消除这些干扰，保障数据传输的可靠性，ZigBee协议在各个层面上分别采用了不同的安全保障机制。

（2）实时性。在工业控制系统中，实时性是另一项重要指标。ZigBee无线通信网络新增节点的典型网络参与时间为30 ms，节点从休眠状态激活进入工作状态的典型时延为15ms，处于工作状态的节点的典型存取时间为15ms，对于最长等待时间在10 ms量级以上的控制环境，ZigBee技术完全可以满足实时性的要求。

（3）灵活性。ZigBee技术的灵活性主要体现在自身组网的可扩展性以及与其他通信设备之间的共存性。作为无线通信设备，基于ZigBee技术的通信模块几乎无须布线，可随意摆放。无线通信网络建立之后，在信号覆盖区域内任何一个位置都可以无缝接入网络，并且可以“漫游”。因此，ZigBee无线通信网络具有很强的可扩展性。

在共存性方面，ZigBee通信模块具有透明传输的功能，在信号覆盖范围以内可以和有线通信设备协调工作。

在Modbus现场总线控制系统中引入ZigBee无线网络，可以在确保数据传输可靠性和实时性的前提下，大大提高控制系统的可扩展性，降低设备维护的成本，从而使整个控制系统得到优化。

2. ZigBee技术在智能家居中的应用。ZigBee低成本、低功耗、低传输率、安全性好的特点，使它很适合应用于对家用电器和小型电子设备的无线控制领域。

在家电控制领域，ZigBee技术相对现在的红外遥控技术要先进很多，使用者不用再拿着各种遥控器站在家电前进行操作。ZigBee技术通过无线方式将各种电子和电器产品连接起来，用户通过嵌套在诸如手机和PDA之中的遥控模块在规定范围内就可以操控各种家用电器。另外ZigBee技术还有一些高端应用，比如当房主在超市购物时，可以发一条指令，以了解冰箱中的牛奶、肉类和蔬菜的数量，确定是否需要再购买。ZigBee技术的这些优点将会给我们的生活带来极大的便利，从而在真正意义上实现我们常说的智能家居。

从技术上讲，智能家居所要实现的主要功能有如下几种。

（1）对白色家电和其他设备的控制、调节和监测。比如微波炉、灯光、电动窗帘、防盗报警器、烟雾探测器、温度和湿度控制器、各种手动的开关和遥控器等。

（2）使黑色家电和其他视频设备之间以及与外部世界之间进行沟通，其中包括计算机、摄像机、数码照相机等。同时还可以实现对它们的控制和监测。

（3）通过对外的接口，实现远程控制和信息交换。如电话线、有线电视电缆、市电电源线、双绞线和无线通信方式等。

由此可见，智能家居主要通过网络控制家庭中各种设备的运行状况。成本和功耗是控制网络的两个关键因素。ZigBee技术低功耗、低成本、复杂度低的优势正好满足智能家居控制网络的需求。

Zigbee技术在智能家居中的应用系统如图1所示，将基于ZigBee芯片的无线网络收发模块嵌入到各种家居设备中，组成基于Zigbee技术的家庭无线控制网络。通过这些无线网络收发模块在各个网络子节点之间进行数据的传送，从而实现家庭内设备的无线互连，使它们能够自动运行，相互协作，为居住者提供尽可能多的便利和舒适。

3. ZigBee技术在无线传感器网络的应用。无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一种集成了传感器、微机电系统和网络技术而形成的全新的信息获取和处理系统。这种网络属于一种特殊的 Ad-hoc 网络，是由许多无线传感器节点协同组织起来的。这些微型节点具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能，可应用于布线和电源供给困难或人员不能到达的区域（ 如受到污染、环境被破坏或敌对区域）和一些临时场合等。无线传感器网络的节点可以随机或者特定地布置在目标环境中，它们之间可以通过基于Zigbee协议组织起来，从而获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。

这种基于 Zigbee 协议的无线传感器网络节点由下列部件组成：低功耗微处理器、低功耗通信模块、电源、复位电路等。节点功能模块示意图如图2所示。

无线传感器网络在军事、国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，具有十分广阔的应用前景。

4. ZigBee技术在生产领域和其他领域的应用。在生产领域和其他领域，ZigBee技术都有着广阔的应用前景。

在矿井生产中，安装了Zigbee 收发模块的工作服可以告诉控制中心矿工的准确位置，同样的系统也可以应用在小区车辆管理中。在运动休闲领域，一条使用了ZigBee技术的高尔夫球道能够预测降雨，进而调节自动洒水系统，推迟既定日程中的喷洒时间或者使喷洒范围集中在降雨量较少的球道。

在酒店服务行业，一家应用了ZigBee技术的酒店可以自动感知房间是空的，于是关闭该房间的取暖或制冷系统以便节能。

在食品零售业中，安置在一板巧克力上的ZigBee标签不仅仅只是提供巧克力是否到达目的地的信息，它还能告诉生产商，是否因为放在阳光下运输使得它周围的温度上升，获取到信息的厂商就可以通知运输部门在巧克力融化之前把它们移到合适的位置。

可以预见，在不远的将来，会有越来越多的内置ZigBee功能的设备进入我们的视野，它们将极大地改善人们的生活。

四、结论

ZigBee是一种低速率、低成本、低功耗的短程无线网络协议。在众多无线网络技术中，ZigBee技术以其数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低、电池寿命长等独特的优势，在工业控制领域、无线传感器网络、智能家居系统及其他生产生活领域展现了深厚的发展潜力和广阔的市场前景。随着正式版本协议的公布，更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现互联互通测试和市场推广等方面。相信在不远的将来，将有越来越多的内置式ZigBee功能的设备进入我们的生产和生活，并将极大地提高工业控制的水平和改善人们的生活方式。