ZigBee在物联网中的应用

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张旭升: ZigBee 在物联网中的应用
智能楼宇灯光控制、电力管理系统的监视等。一般 情况下，只 要 具 备 以 下 应 用 条 件 之 一，都 可 以 采 用 ZigBee 技术：
（ 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） 要求数据传输可靠性高，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。
（ 4） 大网络吞吐量。在 ZigBee 网络中，可以采 表 1 所示。
用星 型，网 状、簇 状 网 络 拓 扑 结 构，最 多 能 够 容 纳
表 1 常见几种短距离传输协议比较
市场名标准
应用重点
GPRS / GSM lxRTT / CDMA
Wi － FiTM 802． 11b BluetoothTM 802． 15． 1 ZigBeeTM 802． 15． 4
ZigBee 本身是一种新的系统集成技术，应用软 件的开发必须和网络传输，射频技术和底层软硬件 控制技术结合在一起。把 ZigBee 技术应用到物联 网中，能发挥 ZigBee 的技术优势，随着物联网技术 的发展成熟，这方面的应用将会得到广泛关注。
物联网的研究主要集中于感知层技术、网络层 技术、应用层技术以及公共技术等技术领域。
（ 1） 感知层。主要功能是实现网络中节点音视 频等数据的采集和感知。其中，物联网的数据采集 主要采用射频自动识别、多媒体信息采集、二维码、 传感器等技术，来获取网络节点数据。并利用传感 器网络组网 和 协 同 信 息 处 理 技 术 来 对 射 频自动识 别、传感器等所获取的数据进行短距离传输、和处理。
ZigBee 无线监测网络主要由分布在监测区域的 各种水位计、雨量计和闸位计组成，各测量单位都配 备有低成本的 ZigBee 远端节点，主要用于无线数据 上传。监测区域内也按照距离的需要分布有 ZigBee 路由节点，组成了无线 ZigBee 网络。所有的水文数 据都可以通过这一网络上传到中心节点，其覆盖范 围比较大。ZigBee 中心节点采集的数据需要送到水 文水利监测管理中心，这可以通过 GPRS / CDMA 无 线网络或 ADSL 来实现。
关键词： Zigbee； 物联网； 协议栈
中图分类号： TP391
文献标识码： A
文章编号： 1673 － 1980（ 2013） 02 － 0159 － 04
ZigBee 是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速 率、低成本、低复杂度的无线网络技术［1］，在智能交 通、工业测量监控、智能楼宇、公共信息安全、环境监 测保护等领域 得 到 深 入 应 用。 在 互 联 网 基 础 上 发 展、延伸出来的下一代网络技术———物联网，在这些 领域也具有巨大的应用潜力。
（ 4） 公共技术。公共技术不在物联网技术框架 范围内，但它与物联网技术架构的 3 个结构层有着 密切的关系。它的技术领域主要涵括： 安全技术、网 络管理、标识与解析、以及服务质量管理。
3 ZigBee 在物联网中的应用研究
ZigBee 技术在物联网中的应用主要包括 3 个方 面［6］：
（ 1） 无线传感网络，主要实现对实物的识别，网 ·161·
物联网技术是在互联网的基础上发展而来，但 与互联网不同（ 见表 2） 。
起源点
表 2 物联网与互联网的比较
面向对象 使用者
核心技术 拥有者
创新空间
文化属性
技术手段
互联网
计算机的出现； 技术的传播速度加快
人
使用的人
主流操作系统
内容和
和语言开发商 体验的创新
精英文化， 无序世界
网络协议 Web2． 0
物联网
第 15 卷 第 2 期
重庆科技学院学报（ 自然科学版）
2013 年 4 月
ZigBee 在物联网中的应用
张旭升
( 重庆科技学院法政与经贸学院，重庆 401331)
摘 要： 介绍 ZigBee 的协议标准、技术优势以及应用领域，总结 ZigBee 的应用特点，并通过结合实际的应用例子来阐
述 ZigBee 技术在物联网中的研究及应用。
ZigBee 是在 IEEE 802． 11． 4 协议基础上发展出 来的一个协议栈［2］。它增加了逻辑网络、网络安全 和应用软件，更适应产品技术的一致化，利于产品的 互连互通。ZigBee 与 IEEE 紧密结合，以保证向市 场提供一种完整的集成解决方案。ZigBee 的 MAC 层，采用了 CSMA / CA 通信方式，大大提高了系统的 兼容性。Zigbee 的网络层，可以采用星型、网状和簇 状网络拓扑模式，提高网络最大节点数量。在 ZigBee 网络中，主要有两种类型的网络设备： 全功能设 备和精简功能设备。其中，全功能设备是网络中的 路由或者中继，能够和任何 ZigBee 设备进行通信， 而精简功能设备主要为网络中的终节点，只能与协 调器进行通信。ZigBee 协议结构简单，它的实现对
32
11 000 +
1 ～ 100
7
720
1 ～ 10 +
255 /65 000
20 ～ 250
1 ～ 100 +
成功尺度
覆盖面大
速度，灵活性
价格便宜，方便 可靠，低功耗 价格便宜
1． 4 ZigBee 技术的应用领域 ZigBee 技术主要用于解决工业，遥测遥控、汽车
自动化、家 庭 自 动 化、农 业 自 动 化 等 领 域 的 应 用 问 题。应用比较多的有： 无线传感器网络的数据采集、
它的木块初始化成本较低。
（ 7） 高安全性。ZigBee 协议中有很健全的数据
（ 3） 高实时性。在该协议栈中，通信时延和状 完整性检查功能，采用了高级的数据加密算法，每个
态激活、转变时延都比较小，能够满足高实时性应用 应用都能够灵活地确定它的安全属性。
需求。
ZigBee 与几种常见的短距离通信协议的比较如
3． 3 ZigBee 在智能交通控制系统中的应用 采用 ZigBee 和太阳能结合的无线控制系统，无
须挖路布设控制线路，各设备之间实现无线自动组 网连接，既降低了系统安装成本。更重要的是，避免 了传统安装方式对交通干扰所带来的经济损失，以 及城市快速发展、道路拓展等变化对原有预埋管线 的干扰。
4结语
（ 2） 网络层。用于实现更加广泛的互联功能， 负责把感知到的信息，高效、可靠、安全地传送。网
络层功能的实现，需要协同移动通信技术、传互联网 技术以及感器网络的技术优势。随着移动技术的发 展和日趋成熟，能够满足物联网数据传输的要求。
（ 3） 应用层。应用层主要是充分利用传输来的 信息资源，它是物联网发展的目的和驱动力。应用 层由应用服务子层和应用支撑平台子层组成。应用 服务子层的应用主要集中在智能医疗、智能交通、智 能物流、智能家居、智能电力等领域； 应用支撑平台 子层主要集中实现信息共享、协同和互通。
收稿日期： 2012 － 12 － 17 基金项目： 重庆市教育科学“十二五”规划课题（ 2012 － GX － 168） 作者简介： 张旭升（ 1984 － ） ，男，河南南阳人，助理工程师，研究方向为物联网。
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张旭升: ZigBee 在物联网中的应用
络能够组成复杂的网络，该网络能够采用“多级跳”的 方式进行通信，具有较强的自愈、自组织功能（ 见图
广阔范围 声音 ＆ 数据 Web，Email，图像
电缆替代品
监测 ＆ 控制
系统资源 16MB + 1MB + 250kB + 4 ～ 32kB
电池寿ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 1 ～7 0． 5 ～ 5 1 ～7
100 ～ 1 000 +
网络大小 带宽 / （ kB·s －1） 传输距离 / m
1
64 ～ 128 +
1 000 +
2 物联网技术简介
物联网是在互联网的基础上发展而来，它的主
要思想是将用户端范围扩展到任何物和物，实现它 们之间的通信和信息交换［4］。目前比较统一的一种 定义描述为： 通过射频识别（ RFID） 、红外感应器、全 球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的 协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和 通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的 一种网络概念。物联网是新一代信息技术的重要组 成部分，它是将传感器和现有的“互联网”衔接起来 的一种新技术。它的基本原理是在计算机互联网的 基础上，采用射频自动识别、无线数据传输、通信等 技术，来实现物与物之间的连接。 2． 1 物联网技术与互联网技术的比较
（ 1） 高可靠性。在 ZigBee 的 MAC 层采用了碰 非工作模式，采用了睡眠机制，能够有效节约资源，
撞避免机制，能够有效避免信息传递时的竞争和冲 可以直接采用干电池供电。
突，提高信号传输的效率和可靠性。
（ 6） 灵活的工作频段。工作在 2． 4 GHz 情况下
（ 2） 低应用成本。ZigBee 协议是开放的，并且 为免费频段，有 16 个可用信道。
图 1 ZigBee 协议栈结构
1． 2 ZigBee 的物理信道和网络拓扑结构 ZigBee 在 2． 4 G 的频段上具有 16 个信道（ 见图
2） ，在 2． 405 ～ 2． 480 GHz 间分布，信道间隔是 5 M， 具有很强的信道抗串扰能力。
图 2 ZigBee 物理信道分布
ZigBee 技术具有强大的组网能力，可以形成星 型、树型和 mesh 网状网，可以根据实际项目需要选 择合适的网络结构。其中，mesh 网络拓扑结构的网
传感技术的创新； 云计算
人和物质
人和物质， 人即信息体，
芯片技术开发商 和标准制定者
技 想术 像就 就是 是生 科活 技， ，“活草信根息文”化世，界
数据采集，传输 介质，后台计算
物即信息体
让所有都有智能
2． 2 物联网的网络系统结构及关键技术 物联网的核心价值在于，它能够实现物与物、人
与物之间的通信，具有互联、感知和智能的特征［5］。 物联网的组成主要包括 3 大部分： 感知部分，主要利 用传感器、射频自动识别和二维码等技术，实现对网 络中的节点进行识别； 传输网络，主要负责数据的传 输； 智能处理部分，实现对网络中的节点智能控制和 管理。
家庭无线网络主要是指，在家庭的范围内，采用 先进的无线网络技术将家电、照明、计算机、娱乐系 统等进行互联，以实现信息的共享和管理，并通过互 联网作为媒介与外界进行信息交互的一种新兴无线 网络系统［7］。将 ZigBee 网络引入家庭无线网络，将 家用电器、通信设备、娱乐设备、安保装着等互联起 来，实现设备智能化控制、改变了传统的家居生活方 式。家庭无线 ZigBee 网络系统主要包括： 具有无线 通信接口的数字家电设备、具有内外网连接的网关、 具有无线接口的传感器设备和可进行防盗、报警的 功能设备等。 3． 2 ZigBee 在水文水利检测中的应用
张旭升: ZigBee 在物联网中的应用
络中主要包括传感器、RFID 等。 （ 2） 应用网络，主要为一些输入输出的终端，现
场设备控制器，手机终端等。 （ 3） 传输网络，主要通过互联网、通信网等媒介
来进行数据的计算、传输、存储。 ZigBee 网络具有较强的自愈和冗余自组织能
力，这让它应用到多种领域中成为可能。这些领域 主要包括： 工业自动化控制、智能楼宇、交通控制，数 字家电。 3． 1 ZigBee 在智能家庭无线网络系统中的应用
3） 。星型和族树型适合多点、距离相对较近的应用。
图 3 ZigBee 网络拓扑结构
1． 3 ZigBee 技术优势
65 000个设备。
ZigBee 无线标准，在无线传感器网络中有着重
（ 5） 低功耗。ZigBee 的数据传输速率较低，数
要的应用，它具有以下技术特点［3］：
据传输量较小，信号收发耗能较少。同时，ZigBee 的
硬件的要求比较低，一般 8 位微处理器就能够满足 设计要求。其协议栈结构如图 1 所示：
1 ZigBee 技术简介
ZigBee 具有 IEEE 802． 15． 4 强有力的无线物理 层所规定的全部优点———省电、简单、成本低。ZigBee 技术中增加了逻辑网络、网络 安 全 和 应 用 层。 ZigBee 可以使用 3 个频段： 2． 4 GHz 的 ISM 频段； 欧 洲的 868 MHz 频段； 美国的 915 MHz 频段。 1． 1 ZigBee 协议栈