ZigBee技术应用研究

摘 要：随着智能设备的普及和移动互联网的发展出现了各种无线网络数据标准，本文主要对ZigBee协议进行应用研究，通过分析Zigbee技术的特点，探讨这种无线网络技术的应用场景和应用领域。

关键词：ZigBee 智能家居 无线传感网

中图分类号：TN925 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）06（a）-0010-01

近年来，随着智能设备的普及和移动互联网的发展，无线网络得到了快速发展，在此过程中也出现了各种无线网络数据标准，如WiFi、Wireless usb、Bluetooth、Z-wave等，不同的协议标准对应着不同的应用场景和应用领域。同时，无线传感网络的发展和研究也得到了快速发展，各种无线传感网络协议标准也日渐规范化。其中不得不提的，广泛应用并且最具增长潜力的协议就是ZigBee协议。

1 什么是ZigBee技术

ZigBee技术是一种面向短距离、架构简单、具备延长电池寿命、低消耗功率与低传输速率的无线通讯技术，具有传输距离长、可靠度高、省电以及高度扩充性等特点，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

2 ZigBee的技术特点

2.1 低传输速率

Zigbee标准是为低数据率、短距离无线网络通信定义的一系列通信协议。基于Zigbee无线设备工作在868 MHz，915 MHz和2.4 GHz频段，最大数据数率是250 kpbs。

2.2 低功耗

由于ZigBee的传输最大数据数率是250 kpbs，发射功率极低仅为1 mW，再加上采用了休眠模式，功耗低，因此，ZigBee设备非常省电。据估算，在低耗电模式下，一个ZigBee设备节点仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间。

2.3 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32 KB代码，子功能节点少至4 KB代码，而且ZigBee免协议专利费。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

2.4 近距离

ZigBee传输范围一般介于10～100 m之间，在增加RF发射功率后，也可以增加到1～3 km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

2.5 短时延

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

2.6 高容量

ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理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。

2.7 高安全性

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，各个应用可以灵活确定其安全属性。

3 ZigBee技术的应用场景和应用领域

3.1 智能家居

智能家居是利用先进的计算机技术嵌入式系统和网络通讯技术将家庭中的各种设备如照明系统环境控制安防系统网络家电通过家庭网络连接到一起。

据最新数据显示，2013年智能家居全球市场规模或已达1万亿美元，到2020年，中国智能家居产值将会达到2万亿元。与此同时，ZigBee网络技术的发展和成熟，为智能家居设备的应用提供了环境基础，智能家居需求呈上升势头。

智能家居是ZigBee无线网络的一个主要应用领域，智能家居中典型的数据速率仅有10 kps。例如ZigBee抄表系统，不但可以传输每月的水电使用数据，同时检测设备存在的问题，实现对设备的无线管理。如果壁灯和开关都配备了ZigBee设备，那么，室内的任何开关都可以被指派来打开和关闭一盏电灯。

ZigBee智能家居的安装非常简单，不要凿壁布线，用户按照说明书在家就可以就地DIY，且设备移动性强，可以随时更换设备安装地点。

随着全球对能源和环境的要求越来越高，而ZigBee在智能家居节能方面的效果优势非常明显，因此，具有非常广阔的市场前景。ZigBee无线通信技术应用到智能家居中必将成为将来的发展趋势和潮流。

3.2 智能医疗

为节省全球人口高龄化所衍生的医疗成本支出，减少民众亲自到医疗院所进行例行性的检查已成为解决之道，而此须依靠内置无线通信技术的新型医疗设备来实现。在众多可打造远程医疗设备的无线通信技术中，ZigBee以低功耗、高传输距离，以及较佳的抗干扰能力备受青睐。

在国内，随着移动互联网、大数据的快速发展，医疗的各个细分领域如诊断、监护、治疗等都将进入智能化时代。其中病人远程监护和居民健康监察是重要的应用场景。家庭医疗用设备的数量将会大幅成长，并远超过目前既有的数目。另外，由于无线连接功能逐渐嵌入到目前许多家用的医疗监控与感应产品中，这使得若干原本只存在于医疗用或长期照护机构内的功能，也逐渐通过无线功能进入到家庭当中，这样的转变增加无线传感技术新的市场机会。对于低数据传输率、抗噪声能力、低功率感应及监控网络的需求而言，ZigBee仍会是首选解决方案。

3.3 工业控制

ZigBee网络的初衷就是为工业现场自动化控制数据传输而建立的，在工业级水平上，ZigBee网络可以用于能源管理、照明控制、过程控制和资产管理。

在工业控制领域，这些应用场景对低数据率、低成本、更长时间的电池寿命有较高的要求。ZigBee技术的优势得以充分的发挥。在一些ZigBee应用中，无线设备持续处于活动状态的时间是有限的，大部分时间无线设备都处于省电模式，ZigBee设备在电池需要更换以前能够工作数年以上。

4 展望

早在2004年ZigBee技术就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术之一。ZigBee技术的目标就是针对工业，家庭自动化，遥测遥控，汽车自动化、农业自动化和医疗护理等领域。ZigBee非常适合于低功耗、低数据速率的监视、传感网络。但是任何一种技术的成功，并不只由其技术本身的因素决定，市场对技术成败也有很大作用。即便如此，今后若干年，都将是ZigBee技术飞速发展的时期。

参考文献

[1] 罗伯特・海利.ZigBee技术及其在物联网中的应用[J].信息技术与标准化，2013（4）.

[2] 张旭升.ZigBee在物联网中的应用[J].重庆科技学院学报：自然科学版，2013（4）.