基于ZigBee的技术研究

张守兴 李明珠 陈媛媛

摘   要：学习ZigBee的前沿数据传输的技术，为采用ZigBee技术控制的智能水表设计打下基础。文章通过ZigBee应用掌握ZigBee终端设备各模块的使用，为掌握组网编程及运行调试提供借鉴。

关键词：ZigBee;数据传输;调试

1    研究的背景及意义

近年来，由于智能产品的日益增多，通信技术和无线网络技术的应用均呈现出指数增加的趋势，有力地推动无线通信技术的快速发展。工业的一线生产设备、农业的智能化控制、汽车的电气控制系统、智能家居、医疗设备智能化操作和智慧化小区建设、面向服务消费大众的第三产业等都是无线通信技术还未涉足或者刚刚涉足的领域，这些领域对数据吞吐量的要求一般不高，对产品的功率消耗也比现有标准提供的产品功率消耗要低的多。同时，为了降低组成元器件的价格，以便于各种应用装置批量生产，就有必要制定出一款标准的解决方案或相应的技术协议，来结束这种杂乱无章、“群雄纷争”的局面。而ZigBee技术就是在这种背景下产生的一种适应市场的技术产品，其设计出一个应用程度相对简单的无线电收发系统，同时，也进一步考虑产品的低功耗和消费者极为关心的性价比问题。

ZigBee是一种传输距离短、设备构造组成相对简单、运行耗电量较低、数据传输速率要求不高且价格又相对低廉的双向无线通信技术，可以基本满足一些数据量较为简单的自动控制和远程控制，对小型的无线网络构建具有极大的应用优势。基于ZigBee技术应用的产品越来越广泛，在不少工科高校也通过各种形式对一些工科的学生进行这一方面能力的培养。比如，在第二课堂（个别院校叫素质拓展）开展ZigBee技术的小应用，有的设有物联网技术专业的院校更是直接开“物联网组网技术”的专业课，这也符合高校专业人才培养要与社会、市场接轨的目标，因此，学习并掌握一定的ZigBee技术，对电气工程及其自动化、通信工程、电子信息、物联网、智能控制等专业的老师和学生们，任重而道远。

2    ZigBee技术的特点

ZigBee在应用领域中是一种能进行灵活组网的无线通信技术，适用于数据传输量较少、功率要求不高、传输速率低、网络节点较多的场合，比如，在公交车的报站系统的研发、智能小区的规划、小区快递报送系统、自动售货机研制、智能护士呼叫系统、智能家居控制等。一般的ZigBee具有下述特点。

2.1  运行稳定性、可靠性高

在无线通信传输中，电磁波在传输过程中非常容易受到各种不利因素的干扰，例如，直线传输障碍物的阻挡、天气状况恶化、传输媒介变化等，因此，无线通信系统在实际应用时，数据在传输过程中，就会具有一定的内在不稳定性。而ZigBee联盟在制定ZigBee规范时，众多技术出身的参会者纷纷结合各自的研发领域和在产品调试中遇到的数据传输过程中存在的问题，进行交流并共同制定一些措施来提高数据传输的可靠性。

2.2  低功耗、低成本

作为一种研发的技术，在实现功能的同时，其本身的工作功耗要低且各组成的元器件的成本要进一步降低，才能引起消费者的关注和采用，也就是所谓的性价比的问题。而采用ZigBee技术结合的应用型产品恰好能满足这方面的要求，其控制终端在某种状态上类似处于一种休眠工作方式，达到低功耗要求。

2.3  网络节点大

一个ZigBee组成的网络能与255个设备控制终端进行数据共享，对于一般的小区用户水表的运行管理，基本满足需求。相当于一个ZigBee设备可以控制254个设备。

2.4  组网能力强

ZigBee设备在组网方面，具有自愈的能力，对周边有较强的覆盖能力。

2.5  安全性

ZigBee开发具有完整的检测功能，其主要采用AES-128进行相应的算法加密，高级加密标准，进一步保障数据传输应用的安全型和可靠性。

2.6  应用性强

ZigBee协议栈源代码齐全，一般应用者主要是对主函数及操作系统进行修改应用，许多库函数据可以根据项目要求而做修改即可。

3    基于ZigBee控制的水表设备终端

ZigBee设备终端结构一般包括电源模块、微控制器CC2530、数据传输模块、调试模块、调制模块、时钟模块、LCD模块、天线模块、DMA模块、命令执行单元、传感器单元等，各单元基本构造如图1所示。通过智能传感器单元设备模块的内部数据收集数据。比如，在小区中，对住户水表的一种ZigBee技术应用，其将原来机械式水表的水流量信息，通过传感器的转换，把住户用水的流量转换成电的信号，当然可以是电流信号或电压信号，进行调制后，再经过A/D转换模块，变成微处理器能识别的机器码二进制，让微处理器获取，并按照研发者预先的编程程序运行，再把处理相应的结果，通过无线数据传输模块接收或传输控制命令，传达到用户模块单元，这个功能一般就是通知用户水量信息的作用。而另一方面，用户也可以通过控制终端（如手机专用APP）对微处理器进行指令控制，通过微处理器处理结果并使执行单元执行（比如阀门关闭或开启等）。CC2530外设包括I/O引脚、ADC，DMA、串口等，CC2530包括3个8位输入/输出（I/O）端口，分别是P0，P1和P2。CC2530的ADC支持多达14位的模拟数字转换，具有多达12位的有效数字位。它包括一个模拟多路转换器，具有多达8个各自可配置的通道，一个参考电压发生器。CC2530内置一个存储器直接存取（Direct Memory Access，DMA）控制器，可以用来减轻8051CPU内核传送数据操作的负担，从而实现在高效利用电源的条件下的高性能。

4    ZigBee技术的应用领域

ZigBee技术是基于小型无线网络组网而开发的一种通信协议标准，在应用过程中，虽然ZigBee技術也面临许多新的技术问题挑战，但总体来说ZigBee协议也越来越成熟，技术考虑的全面性也越来越严谨，使用操作越来越大众化，对专业性要求度也在进一步减低，这也使ZigBee技术在智能家居和城镇管理自动化等方面有较大的应用前景。ZigBee技术的及时出现，在某种程度上弥补了制作成本低、运行功耗低的无线通信市场暂时空缺的产品。

ZigBee技术的应用一般在可以进行数据采集、控制节点较多且应用时对数据传输速率和控制成本要求不高的场合，而且设备电池供电可以达几个月的时间，同时整体的设备体积较小。

在工业/农业控制方面，可以使用ZigBee技术组建无线小网络，每个节点通过采集传感器数据，然后通过ZigBee网络来完成各类数据的传送。

在智慧小区，对于小区住户电表/水表的高效管理，同时也为了节约成本开支，ZigBee技术的设备产品的开发及利用是一种不错的选择。

[参考文献]

[1]雍想来.基于ZigBee和短信息技术的智能家居系统设计[D].西安：长安大学，2018.

[2]陈思璇.微功率无线智能抄表关键技术研究[J].科技创新与应用，2013（9）：28.