Zigbee技术的原理及特点

2019年3月

Zigbee 技术的原理及特点

卢俊文（华师大附属东昌中学，上海200120）

【摘要】Zigbee 是一种继Wifi ，

蓝牙之后逐渐在无线通信市场逐渐崭露头角的自组网通信技术，目前已经在智能家居等联动系统当中广为使用，在相关领域有相当重要的作用。本文对Zigbee 的技术特点进行了简单介绍，并重点对其工作原理进行了介绍与分析，

同时也与其他常见的无线通信技术进行了比较，

并在文末提出了总结。【关键词】Zigbee ；

自组网；无线通信【中图分类号】TN929.5【文献标识码】A 【文章编号】1006-4222（2019）03-0035-02

1Zigbee 技术的概述

1.1Zigbee 技术的定义

Zigbee 技术是一种应用于短距离和低速率下的无线通信技术,Zigbee 过去又称为“HomeRF Lite ”和“FireFly ”技术,目前统一称为Zigbee 技术[1]。

Zigbee 这个名字的灵感来源于蜂群的交流方式:蜜蜂通过Z 字形飞行来通知发现的食物的位置、距离和方向等信息。Zigbee 联盟便以此作为这个新一代无线通信技术的名称。

1.2Zigbee 协议的特点

(1)低功耗:一套Zigbee 系统的占空比(在一个脉冲循环内,通电时间相对于总时间所占的比利)非常的低,可以小于0.1%。各个设备工作周期短,功耗也非常低,同时具备有“休眠”的概念,详细内容在2.1中有所描述。

(2)低成本:初期模块成本为6美元,后因为市场的不断演变至今,价格一般已低于2.5美元。同时Zigbee 协议还不需要缴纳专利费,和其他常见无线通信技术相比成本较低。

(3)低速率:Zigbee 系统在各节点每秒的传输速率仅为10~250Kb 左右。这将意味着其并不能以高速传输数据,同时也限定了其部分的组网方法。

2Zigbee 技术的工作原理

2.1Zigbee 协议的结构

Zigbee 的结构分为4层:分别是物理层,MAC 层,网络/安全层和应用/支持层[2]。

其中应用/支持层与网络/安全层由Zigbee 联盟定义,而MAC 层和物理层由IEE802.15.4协议定义,Zigbee 的结构与分工如图1。

以下为各层在Zigbee 结构中的作用:

物理层:作为Zigbee 协议结构的最低层,提供了最基础的服务,为上一层MAC 层提供了服务,如数据的接口等等。同时也起到了与现实(物理)世界交互的作用;

MAC 层:负责不同设备之间无线数据链路的建立,维护,结束,确认的数据传送和接收;

网络/安全层:保证了数据的传输和完整性,同时可对数据进行加密;

应用/支持层:根据设计目的和需求使多个器件之间进行通信。

其中,Zigbee 协议架构最具特色的两项是:低功耗以及自组网。

2.2Zigbee 协议低功耗的原理

Zigbee 之所以功耗较低是因为其协议栈(Zstack )的特殊性。ZStack 采用事件轮循机制,而且有一个专门的计时器来负责设定时间。从CC2530工作开始,计时器周而复始地计时,有采集、发送、接收、显示……等任务要执行时就执行。当各层初始化之后,系统将进入低功耗模式。当事件发生时,系统将被唤醒并开始进入中断处理事件(该过程是请求中断;响应中断;关闭中断;保留中断断点;中断源标识;保护站点;中断服务子程序;恢复站点;中断返回),以及再往后进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生,系统将会自动判断优先级,逐次处理事件。

一条指令或数据在进行传输时,可能会经过很多路由器,且只要经过路径器就会产生延时,能量会产生损失,所以消息传递是有路径损耗的,而Zigbee 系统为了减缓这种情况,可以让数据在传输时尽量减少连接路由器的数量。具体来说,Zig ⁃bee 系统在降低功耗方面是由一定策略的,如网络中一般会连接很多路由器,若某个路由器位置比较核心,不断地有消息经过,需要路由器不停地工作,那么它得能量损失得速度会特别快,为了避免这种情况,Zigbee 系统会直接让这个路由器短暂地停止工作,需要转发相应消息的工作交给其它路由器完成。这种构架非常大的程度上降低了系统的功耗,这也就是Zig ⁃bee 低功耗的原因。

2.3Zigbee 协议组网的特点

Zigbee 协议在满足条件的情况下,协调器将会自动组网。Zigbee 组网有两个鲜明的特点:①一个Zigbee 网络的理论最大节点数就是2的16次方也就是65536个节点,远远超过蓝牙的8个和Wifi 的32个。②网络中的任意节点之间都可进行数据通讯。在有模块加入和撤出时,网络具有自动修复功能[3]。

这里有一个简单的例子:当一些人各自拥有一个网络模块终端时,只要他们在网络模块通信的范围内自动找到对方,他们就可以快速形成互连的网络。此外,由于人员的流动,他们之间的网络连接也会发生变化。因此,该模块还可以通过重新搜索通信对象,确定它们之间的联系来重置原始网络,这就是Zigbee 的自组网[3]。

3Zigbee 技术与蓝牙和Wifi 的比较

(1)蓝牙:Zigbee 的系统复杂性远远小于蓝牙,所需的资源量较少,组建一条Zigbee 系统也相对较为容易。蓝牙所需要的系统资源约为250Kb 左右,而Zigbee 只需要28Kb 左右。同时Zigbee 的可支持网络节点数量远远大于蓝牙。就这一点来说,Zigbee 比蓝牙更加适合需要大量终端和节点的架构。比方说一座大楼之间各种设备的简单联动以及多人的野外短距离

图

1

通信设计与应用35

2019年3月

通信。但是由于传输速率远远不及蓝牙,无法高效的传输较大的数据。在一些例如文件传输,音视频传输方面蓝牙更加适合,而Zigbee也就无能为力。

(2)Wifi:Wifi可以称得上是目前使用范围最为广泛的无线通信技术,无论是办公环境还是居家环境,哪里都有Wifi的使用。其传输速率非常高,而且设置非常简单。一般来说只需要网络的接入和一个路由器便可完成Wifi的搭建。但是其成本非常高,一套路由器基本在20美金左右,而且功耗较大。所以在某些设计当中Zigbee常常与其结合。最常见的就是Zig鄄bee与Wifi所组成的无线网关在智能家居中的使用。考虑到Zigbee工作频率的多样性,所以Zigbee的发展可以为Wifi与其他设备之间的连接带来补充和增强。

4结语

Zigbee的开发弥补了无线网络通信市场对低速、低功耗、低成本的需求,可是从实际使用频率上来看,相比Wifi和蓝牙依旧有着较大差距。但Zigbee的优势其它无线传输技术无可替代的,因此发展前景也十分广阔。

(1)从技术标准层面上来看,物联网技术的实现成为了必然的发展趋势,而Zigbee运用在物联网技术中将极大地推动物物之间用网络相连目标的实现,且于ZigbeeIPV6结合,将更好地提升它的低功耗、低成本的优势[4]。

(2)从应用范围来看,Zigbee将来完全可能应用在智能手机方面,由于Zigbee相较于蓝牙、Wifi而言的特有优势,将它运用于手机行业代替蓝牙、Wifi进行短距离传输,这将大大降低手机的功耗,提升手机的整体性能。

(3)对于中国市场而言,由于目前中国的无线网络市场还未成熟,应鼓励国内企业积极涉猎Zigbee技术的开发和应用,政府也应给予一定的政策支持,从而推进我国短距离无线传输技术的发展,缩小与发达国家之间的差距。

综上所述,我们有理由相信,Zigbee有着广阔的前景,也有着美好的未来!

参考文献

[1]穆乃刚.ZigBee技术简介[J].电信技术,2006(3):84~86.

[2]朱洲,曹长修.ZigBee技术及其应用[C].全国测控、计量、仪器仪表

学术年会,2005.

[3]张维勇,冯琳,魏振春.ZigBee实现家庭组网技术的研究[J].合肥工

业大学学报(自然科学版),2005,28(7):755~759.

[4]顾瑞红,张宏科.基于ZigBee的无线网络技术及其应用[J].电子技术应用,2005,31(6):1~3.

收稿日期：2019-2-20

IPv6应用于物联网感知层的相关问题研究文鑫（中国电信股份有限公司恩施分公司，湖北恩施445000）

【摘要】本文主要对IPv6应用于物联网感知层的相关问题进行了研究，分析了解决的问题的对策与手段，探究了IPv6应用于物联网感知层的建设技术与手段。

【关键词】IPv6；物联网感知层；相关问题；研究

【中图分类号】TN929.5【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2019）03-0036-02

物联网整体结构主要可以分为应用层、中间件层、网络层

以及感知层。感知层在终端中应用具有一定的发展空间,在物联网技术不断发展的过程中,合理应用技术手段,实现感知层网络通信以及节点优化处理,可以推动物联网的发展,分析了解IPv6应用于物联网感知层的相关问题,综合存在的问题,通过技术手段对其进行优化,可以为IPv6应用于物联网感知层平台建设提供参考。

1IPv6应用于物联网感知层的相关问题研究IPv6数据包在无线传感网络中进行传输还是存在一定的问题。在IPv6进行互联网通信设计的时候,并没有分析无限传感网络的节点能耗以及传输带宽等相关技术性的问题。其

主要存在的问题主要有以下几点:

1.1IPv6报文造成头部负载过重的问题

应用分片技术对IPv6分组包进行处理,将其适配在底层MAC帧中,在操作中wile提升传送的效率,要通过头部压缩

策略处理报头过大造成的头部负载过重等问题。

1.2地址转换

通过对应的地址转换及时对IPv6地址以及IEEE802.15.4长与短MAC地址的转换处理。

1.3报文泛滥

调整IPv6管理模式,达到抑制IPv6网络中的配置,进行报文管理,保障其符合802.15.4中低速率的网络需求。1.4轻量化IPv6协议

要分析IEEE802.15.4特性特征,基于具体要求确定保留的IPv6协议栈功能,对一些功能进行改进,保障其符合嵌入式IPv6的功能需求、体积要求、功耗以及成本等要求。1.5路由机制

IPv6网络中应用的路由协议就是一种基于距离矢量以及链路状态的路由协议模式。距离矢量以及链路状态协议要通过周期性地交换信息,达到网络路由表以及拓扑结构图正常的目的。

在资源有所限制的物联网感知层的网络中应用IPv6路由协议,因为在节点的休眠、激活切换过程中会造成较为频繁的拓扑变化与结构,这样就会导致控制信息占用无线信道资源,在一定程度上增加了节点的能耗问题,缩短了网络生存周期。对此,要优化改进IPv6路由机制,保障其可以在能量资源、存储资源以及带宽资源受限的状态之下,延长网络生存周期,加强对网络拓扑控制、数据融合以及多路径、能量节省机制等技术手段的研究。

1.6组播支持

通信设计与应用36