低功率近程通信技术ZigBee的特点及应用研究

摘要：作为一种新兴的近距离、低功耗通信技术，ZigBee具有不同于其他通信技术的技术特点。同时，ZigBee自身的技术特点决定了这门技术的应用。

关键词：近距离；低功耗；ZigBee的特点；ZigBee的应用

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)35-2274-02

Research on the Characteristics and Use of Low Power and Close Rang Communications Technology ZigBee

QI Jin,CHEN Wen

(Guizhou University,Electronic Science and Information Technology Institute,Guiyang 550025,China)

Abstract: As a new communications technology of close rang and low power consumption,ZigBee have technical

characteristics which is different from other communications technologies.At the same time,the technology characteristics itself determines the use of ZigBee.

Key words:close rang;low power consumption;characteristics of ZigBee;use of ZigBee

1 ZigBee概述

ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低复杂度、低数据传输速率、低成本的双向无线网络通信技术。它主要用于近距离无线连接，适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。它有自己的无线电标准，可以在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。而这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。最后，这些数据就可以进入计算机，用于分析或者被另外一个无线技术如WiMax收集。

ZigBee的基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域网（Personal Area Network，PAN）工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4（ZigBee）技术标准。ZigBee不仅只是802.15.4的名字。由于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（应用编程接口）进行了标准化。ZigBee的终端设备只需占用4K字节的通信资源，而作为Hub（网络集线器或网络中心）或路由器的ZigBee协调器需要占用32K字节的通信资源。每个协调器可连接多达254个节点，几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。另外ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，以及保证这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。

2 ZigBee的技术特点

由于ZigBee物理层、MAC层、网络层和应用层的特殊设计，使得ZigBee具有以下一些特点：

数据传输速率低：只有10kbps到250kbps，专注于低传输应用。

低功耗：由于工作周期较短、收发信息功耗较低且采用了休眠模式，可以确保两节五号电池支持长达六个月到两年左右的使用时间。由于不同应用具有不同的功耗，因此具体的使用时间还受到具体应用的影响。

数据传输可靠性高：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息。

网络容量大：一个ZigBee设备可以与另外254个设备相连接，一个ZigBee网络可以容纳最多65536个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最低100个ZigBee网络。

时延小：ZigBee针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。

有效范围小：有效覆盖范围在10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通家庭或办公环境。

工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）以及915MHz（美国），均为免执照频段。

兼容性好：与现有的控制网络标准无缝集成。通过网络谐调器（Coordinator）自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道存取。为了可靠传递，提供全握手协议。

安全性高：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

实现成本低：模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降低1.5~2.5美元，且ZigBee协议是免专利费的。

协议套件紧凑而简单：ZigBee的具体实现的要求很低。ZigBee协议套件的需求估计：8位微处理器，如80C51；全协议套件软件需要32K字节的ROM；最小协议套件软件大约4K字节的ROM。

3 ZigBee与蓝牙的比较

蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的无线电空中接口，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种3C设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互通信或操作，它是一种低成本、低功率无线“线缆替代”技术。其传输频段为全球公众通用的2.4GHz ISM频段，提供2Mbps的传输速率和10米～100米的传输距离。

蓝牙技术已经为人们带来了设备之间以无线方式交换数据的新体验，并且得到了预期的迅猛发展。然而ZigBee协议的提出，其低成本的特性无疑给蓝牙带来了巨大的挑战，甚至有人认为ZigBee有取代蓝牙的可能。下面就将ZigBee与蓝牙做一简单比较，如表1所示。

ZigBee技术的目标不是要和蓝牙技术竞争，而是要补充蓝牙技术的盲区。蓝牙技术的特性使它更适合于音频、视频和图像等多媒体设备，以及需要经常交换大量数据的设备。而ZigBee技术更适合于轻巧的便携式设备、数据交换量不高的设备、无线控制设备和需要大量挂接的设备。

虽然ZigBee和蓝牙共同工作在2.4GHz的频率上，但它们之间的干扰却微乎其微。ZigBee模块在未投入使用的情况下属于低功耗的休眠状态，因此，对蓝牙设备的数据传输造成干扰的可能性极小。反之，如果蓝牙设备对ZigBee设备的数据传输造成干扰，以至丢失数据包，ZigBee的发送方将收不到接收方的反馈，则发送方将重新发送数据，直到数据被正确传输为止。

蓝牙技术填补了远距离和中距离无线技术顾及不到的盲区，使人们感受到无线技术在设备间传输数据的便利，并成功地推动了短距离无线连接技术的应用。而ZigBee技术又填补了蓝牙技术的空白，并以其低功耗和低成本的特性逐渐显示出它在某些领域的优势。

4 ZigBee的应用及发展前景

通常，符合如下条件之一的应用，就可以考虑采用Zigbee技术做无线传输：

1) 需要数据采集或监控的网点多；2) 要求传输的数据量不大，而要求设备成本低；3) 要求数据传输可性高，安全性高；4) 设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；5) 电池供电；6) 地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖；7) 现有移动网络的覆盖盲区；8) 使用现存移动网络进行低数据量传输的遥测遥控系统；9) 使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。

鉴于以上特性，ZigBee在今后有望成为无线网络的主流技术，而且支持ZigBee的设备的价格会越来越低。ZigBee将会在工业、办公以及家庭自动化得到广泛的应用。

1) 在工业领域，利用传感器和ZigBee网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。例如危险化学试验的成功检测，火警的早期检测和预报，高速旋转机器的检测和维护。这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新，重点在于低功耗，从而最大程度的延长电池的寿命，减少ZigBee网络的维护成本。

2) 在医学领域，将借助于各种传感器和ZigBee网络，准确且实时的监测每个病人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医生做出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。

3) 在办公自动化领域，可以借助ZigBee传感器进行照明控制，使用传感器检测周围环境，只有检测到人来的时候才将照明开关打开。该系统还可以通过ZigBee网络进行集中控制。

4)在家庭自动化领域，ZigBee可用于安全系统，温度控制装置等方面。另外将ZigBee用于遥控装置的优点在于不像目前采用的红外装置那样会受到角度的限制。而且ZigBee支持各种网络结构，更容易扩展覆盖范围。同时由于ZigBee设备功耗低，电池的使用寿命也和红外装置的差不多。

另外，由于ZigBee的低延迟特性，ZigBee还可以用于PC机的外设。例如带反馈的无线游戏垫或手柄可以充分利用ZigBee的低延迟特性，其性能与有线控制器是一样。

参考文献：

[1] 瞿雷,刘盛德,等.ZigBee技术及应用[M].北京航空航天大学出版社,2007.

[2] 吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京航空航天大学出版社,2008.

[3] 李文仲,段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京航空航天大学出版社,2008.

[4] 金纯,罗祖秋,等.ZigBee技术基础及案例分析[M].国防工业出版社,2008.