ZigBee技术在物联网与传感器技术中的应用

1.ZigBee简介

基于IEEE 802.15.4标准的Zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术，是目前无线传感器网络的首选技术之一。其开发是为了建立一种低成本、低功耗的小区域的无线通信方式，在此基础上通过软件协议栈发展出易布建的大容量、不依赖现有通信网络和现有电力网络的无线网络。Zigbee技术在工业控制、家庭智能化、无线传感器网络等领域有广泛的应用前景。

从应用技术来说，ZigBee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（Bee）是靠飞翔和“嗡嗡”（Zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说，蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。ZigBee技术主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

ZigBee联盟是一个非营利组织，成员包括国际著名半导体生产厂商、技术提供者、代工生产厂商以及最终使用者。联盟成员正制定一个基于IEEE 802.15.4协议、可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。目前已有超过150多家成员公司正积极进行ZigBee规格的制定工作，其中包括7位推广委员、半导体生产厂商、无线技术供应商及代工生产厂商。Zig-Bee联盟的主要目标是通过加入无线网络功能，为消费者提供更富弹性、更易用的电子产品。ZigBee技术能融入各类电子产品，应用范围横跨全球民用、商用、公用及工业用等市场。生产厂商最终可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计简单、可靠、便宜又省电的各种电子产品。ZigBee联盟的焦点在于制定网络、安全和应用软件层；提供不同产品的协调性及互通性测试规格；在世界各地推广ZigBee品牌，并争取市场的关注；管理ZigBee技术的发展。

2.ZigBee无线数据传输网络

简单地说，ZigBee是一种高可靠的无线数据传输网络，类似于码分多址（CDMA）和全球移动通信系统（GSM）网络。ZigBee数据传输模块类似于移动网络基站。通信距离从标准的75m到几百米、几千米，并且支持无限扩展。ZigBee是一个由多达65000个无线数据传输模块组成的无线数据传输网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数据传输模块之间可以相互通信。对于简单的点到点、点到多点通信（目前有很多这样的数据传输模块），包装结构比较简单，主要由同步序言、数据、循环冗余校验（CRC）等部分组成。ZigBee是采用数据帧的概念，每个无线帧包括了大量无线包装，包含了大量时间、地址、命令、同步等信息，真正的数据信息只占很少一部分，而这正是ZigBee可以实现网络组织管理和高可靠传输的关键。同时，ZigBee采用了媒体访问控制（MAC）技术和直接序列扩频（DSSS）技术，能够实现高可靠、大规模网络传输。

ZigBee定义了两种物理设备类型：全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。一般来说，FFD支持任何拓扑结构，可以充当网络协调器，能与任何设备通信；RFD通常只用于星形网络拓扑结构中，不能完成网络协调器功能，且只能与FFD通信，两个RFD之间不能通信，但它们的内部电路比FFD少，只有很少或没有消耗能量的内存，因此实现相对简单，也更利于节能。在交换数据的网络中，有3种典型的设备类型：协调器、路由器和终端设备。一个ZigBee由一个协调器节点、若干个路由器和一些终端设备节点构成。设备类型并不会限制运行在特定设备上的应用类型。

协调器用于初始化一个ZigBee网络。它是网络中的第一个设备。协调器节点选择一个信道和一个网络标识符（也叫做PANID），然后启动一个网络。协调器节点也可以用来在网络中设定安全措施和与应用层绑定。协调器的角色主要是启动并设置一个网络。一旦这一工作完成，协调器以一个路由器节点的角色运行。由于ZigBee网络的分布式的特点，网络的后续运行不需要依赖于协调器的存在。

路由器的功能：允许其他设备加入到网络中，多跳路由，协助用电池供电的终端子设备的通信。路由器需要存储那些去往子设备的信息，直到其子节点醒来并请求数据。当一个子设备要发送一个信息，子设备需要将数据发送给它的父路由节点。此时，路由器就要负责发送数据，执行任何相关的重发，如果有必要，还要等待确认。这样，自由节点就可以继续回到睡眠状态。有必要认识到的是，路由器允许成为网络流量的发送方或者接收方。由于这种要求，路由器必须不断准备来转发数据，它们通常要用干线供电，而不是使用电池。如有某一工程不需要电池来给设备供电，那么可以将所有的终端设备作为路由器来使用。一个终端设备并没有维持网络的基础结构的特定责任，所以它可以自己选择是休眠还是激活。终端设备仅在向它们的父节点接收或者发送数据时才会激活。因此，终端设备可以用电池供电来运行很长一段时间。

与移动通信的CDMA或GSM网络不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立的，因此它必须具有简单、使用方便、工作可靠、价格低的特点。而移动通信网络主要是为语音通信而建立的，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zig-Bee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。此外，每一个ZigBee网络节点还可以在自己信号覆盖的范围内，与多个不成单网络的孤立子节点无线连接。

3.ZigBee的自组网通信方式

ZigBee技术所采用的自组网是怎么回事？举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互连互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就是自组网。

网状网通信实际上就是多通道通信，在实际工业现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为车祸、道路维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于有多个通道，车辆（相当于控制数据）仍然可以通过其他道路到达目的地。而这一点对工业现场控制而言则非常重要。

所谓动态路由是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中的一条路径进行数据传输。在网络管理软件中，路径的选择使用的是“梯度法”，即先选择路径最近的一条通道进行传输，如传不通，再使用另外一条稍远一点的通道进行传输，以此类推，直到数据送达目的地为止。在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生变化，或者因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状拓扑结构，就可以很好地解决这个问题，从而保证数据的可靠传输。

ZigBee网络层支持3种网络拓扑结构：星形（Star）结构、簇状（ClusterTree）结构和网状（Mesh）结构。其中簇状结构和网状结构都是属于点对点的拓扑结构，它们是点对点拓扑结构的复杂化形式。

4.ZigBee的频带

ZigBee技术主要有3种频率与使用范围：

1）868MHz，传输速率为20kbit/s，适用于欧洲；

2）915MHz，传输速率为40kbit/s，适用于北美；

3）2.4GHz，传输速率为250kbit/s，全球通用。

由于这3个频带物理层并不相同，其各自信道带宽也不同，分别为0.6MHz、2MHz和5MHz，分别有1个、10个和16个信道。

不同频带的扩频和调制方式有区别，虽然都使用了DSSS方式，但在比特到码片的变换方式上有较大的差别。调制方式都采用了调相技术，但868MHz和915MHz频段采用的是两相相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK），而2.4GHz频段采用的是偏移四相相移键控（Offset Quadrature Phase Shift Keying，OQPSK）。在发射功率为0dBm的情况下，蓝牙（Blue-tooth）通常能达到10m的作用距离，而基于IEEE 802.15.4协议的ZigBee在室内通常能达到30～50m的作用距离，在室外，如果障碍物少，甚至可以达到100m的作用距离。DSSS是一种扩频通信技术，用高速率的伪噪声码序列与信息码序列模二加（波形相乘）后的复合码序列去控制载波的相位而获得直接序列扩频信号，即将原来较高功率、较窄的频率变成具有较宽的低功率频率，以在无线通信领域获得令人满意的抗噪声干扰性能。

BPSK是把模拟信号转换成数据值的转换方式之一，是利用偏离相位的复数波形组合来表现信息键控移相的一种方式。BPSK使用了基准的正弦波和相位反转的波形，使一方为0，另一方为1，从而可以同时传送接收2值（1bit）的信息。由于最单纯的键控移相方式虽然抗噪声较强但传送效率差，所以常常利用4个相位的四相相移键控（QPSK）和8个相位的8PSK。相移键控分为绝对移相和相对移相两种。以未调载波的相位作为基准的相位调制叫做绝对移相。以二进制调相为例，取码元为“1”时，调制后载波与未调载波同相；取码元为“0”时，调制后载波与未调载波反相；取码元为“1”和“0”时，调制后载波相位差180°。

5.ZigBee性能

1）数据传输速率：传输速率比较低，在2.4GHz的频段只有250kbit/s，而且只是链路上的速率，考虑到信道竞争应答和重传等消耗，真正能被应用所利用的传输速率可能不足100kbit/s，并且余下的传输速率可能要被邻近多个节点和同一个节点的多个应用所分配，因此不适合做视频之类的传输，而适用于传感和控制领域。

2）可靠性：在可靠性方面，ZigBee有很多方面进行保证，物理层采用了扩频技术，能够在一定程度上抵抗干扰，媒体访问控制（MAC）层（APS部分）有应答重传功能，MAC层的载波侦听多址访问（CSMA）机制使节点发送前先监听信道，可以起到避开干扰的作用。当ZigBee网络受到外界干扰而无法正常工作时，整个网络可以动态地切换到另一个工作信道上。

3）时延：由于ZigBee采用随机接入MAC层，且不支持时分复用的信道接入方式，因此不能很好地支持一些实时的业务。

4）能耗特性：能耗特性是ZigBee的一个技术优势。通常ZigBee节点所承载的应用数据传输速率都比较低，在不需要通信时，节点可以进入很低功耗的休眠状态，此时能耗可能只有正常工作状态下的1/1000。由于一般情况下，休眠时间占总运行时间的大部分，有时正常工作的时间还不到1/100，因此可达到很好的节能效果。(www.xing528.com)

5）组网和路由性（即网络层特性）：ZigBee具备大规模的组网能力，每个网络有60000个节点；而蓝牙为每个网络8个节点。因为ZigBee底层采用了直扩技术，所以如果采用非信标模式，网络可以扩展得很大，因为不需同步，节点加入网络和重新加入网络的过程很快，一般可以做到1s以内，甚至更快；而蓝牙则通常需要3s。在路由方面，ZigBee支持可靠性很高的网状网的路由，所以可以布置范围很广的网络，并支持广播特性，能够给丰富的应用带来有力的支持。

6.ZigBee技术优点

1）低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长时间。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周，WiFi可工作数小时。

2）低成本：通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee可免去协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。

3）低速率：ZigBee工作在20～250kbit/s的较低速率，分别提供250kbit/s、40kbit/s和20kbit/s的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

4）近距离：传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1～3km。这是指相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的中继，传输距离将可以更远。

5）短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3～10s，WiFi需要3s。

6）高容量：ZigBee可采用星形、树形和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，一个主节点最多可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。

7）高安全：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性。

8）免执照频段：采用直接序列扩频在工业科学医疗（ISM）频段、2.4GHz（全球）、915MHz（北美）和868MHz（欧洲）。

7.ZigBee典型应用

ZigBee技术应用主要针对工业、家庭自动化、遥控遥测、汽车自动化、农业自动化和医疗护理等，例如，灯光自动控制、传感器的无线数据采集，以及监控、油田、电力、矿山和物流管理等应用领域。它还可以对局部区域内移动目标如城市中的车辆进行定位。典型应用领域如图3-3所示。具体应用领域如下：

1）监控照明、供热通风与空气调节和写字楼安全；

2）配合传感器和激励器对制造、过程控制、农田耕作、环境及其他区域进行工业监控；

3）带负载管理功能的自动抄表，这可使得物业管理公司削减成本和节省电能；

4）对油气等生产、运输和勘测进行管理；

5）家庭监控照明、安全和其他系统；

6）对病患进行医疗和健康监控，对设备及设施进行故障监控；

7）军事应用，包括战场监视和军事机器人控制；

8）汽车应用，即配合传感器网络报告汽车的所有系统状态；

9）消费电子应用，包括对玩具、游戏机、电视、立体音响、DVD播放机和家电设备进行遥控；

10）用于计算机外部设备，例如键盘、鼠标、游戏控制器及打印机；

11）有源RFID应用，如电池供电标签，可用于产品运输、产品跟踪、存储较大物品和财务管理；

12）基于互联网的设备之间的机器到机器（M2M）的通信。

图3-3 ZigBee典型应用