浅谈ZigBee技术

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摘要：介绍了ZigBee技术的概况、发展历程及前景展望，还简要介绍了ZigBee联盟，最后重点分析了该技术的特点以及该技术在生活中的应用。

Abstract:This paper introduces the history and Prospect of  ZigBee technology,also briefly introduces the ZigBee alliance, and finally focuses on the analysis of the characteristics of the technology and its application in life.

关键词：ZigBee技术  IEEE802.15.4  无线通信技术  应用

引文： Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。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。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

一、ZigBee技术概述

   Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。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。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、高数据速率。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。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

   ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定。

ZigBee网络主要特点是低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee网络中的设备可分为协调器(Coordinator)、汇聚节点(Router)、传感器节点(EndDevice)等三种角色。

二、ZigBee技术的发展

  ZigBee译为"紫蜂"，它与蓝牙相类似。是一种新兴的短距离无线通信技术，用于传感控制应用(Sensor and Control)。由IEEE 802.15工作组中提出，并由其TG4工作组制定规范。

2001年8月，ZigBee Alliance成立。

2004年，ZigBee V1.0诞生。它是Zigbee规范的第一个版本。由于推出仓促，存在一些错误。

2006年，推出ZigBee 2006，比较完善。

2007年底，ZigBee PRO推出。

2009年3月，Zigbee RF4CE推出，具备更强的灵活性和远程控制能力。

2009年开始，Zigbee采用了IETF的IPv6 6Lowpan标准作为新一代智能电网Smart Energy(SEP 2.0)的标准，致力于形成全球统一的易于与互联网集成的网络，实现端到端的网络通信。随着美国及全球智能电网的建设，Zigbee将逐渐被IPv6/6Lowpan标准所取代。

ZigBee的底层技术基于IEEE 802.15.4，即其物理层和媒体访问控制层直接使用了IEEE 802.15.4的定义。

   在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等。而工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线传输必须是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年正式问世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议Home RF Lite。

长期以来，低价位、低速率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。蓝牙的出现，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，但是蓝牙的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。如今，这些业者都参加了IEEE802.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层和媒体介质访问层。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率(<250kbps)、工作在2.4GHz和868/915MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。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网络节点传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。

    互联网标准化组织IETF也看到了无线传感器网络（或者物联网）的广泛应用前景，也加入到相应的标准化制定中。以前许多标准化组织和研究者认为IP技术过于复杂，不适合低功耗、资源受限的无线传感器网络，因此都是采用非IP技术。在实际应用中，如ZigBee需要接入互联网时需要复杂的应用层网关，也不能实现端到端的数据传输和控制。与此同时，与ZigBee类似的标准还有z-wave、ANT、Enocean等，相互之间不兼容，不利于产业化的发展。IETF和许多研究者发现了存在的这些问题，尤其是Cisco的工程师基于开源的uIP协议实现了轻量级的IPv6协议，证明了IPv6不仅可以运行在低功耗资源受限的设备上，而且，比ZigBee更加简单，彻底改变了大家的偏见，之后基于IPv6的无线传感器网络技术得到了迅速发展。 IETF已经完成了核心的标准规范，包括IPv6数据报文和帧头压缩规范 6Lowpan[2]、 面向低功耗、低速率、链路动态变化的无线网络路由协议 RPL[3]、以及面向无线传感器网络应用的应用层标准CoAP[4]，相关的标准规范已经发布[5]。IETF组织成立了IPSO联盟，推动该标准的应用，并发布了一系列[6]。 IPv6/6Lowpan已经成为许多其它标准的核心，包括智能电网ZigBee SEP2.0、工业控制标准ISA100.11a、有源RFID ISO1800-7.4（DASH） 等。IPv6/6Lowpan具有诸多优势： 可以运行在多种介质上，如低功耗无线、电力线载波、WiFi和以太网，有利于实现统一通信；IPv6可以实现端到端的通信，无需网关，降低成本；6Lowpan中采用RPL路由协议，路由器可以休眠，也可以采用电池供电，应用范围广，而ZigBee技术路由器不能休眠，应用领域受到。6Lowpan标准已经得到大量开源软件实现，最著名的是Contiki[7]、TinyOS系统，已经实现完整的协议栈，全部开源，完全免费，已经在许多产品中得到应用。IPv6/6Lowpan协议将随着无线传感器网络以及物联网的广泛应用，很可能成为该领域的事实标准。

三、ZigBee技术的特点

  （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。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。

TI公司和德国的Micropelt公司共同推出新能源的ZigBee节点。该节点采用Micropelt公司的热电发电机给TI公司的ZigBee提供电源。

  （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免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。

  （3）低速率。ZigBee工作在20～250kbps的速率，分别提供250 kbps(2.4GHz)、40kbps(915 MHz)和20kbps(868 MHz)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，在增加发射功率后，亦可增加到1～3km。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。

  （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3 s。

  （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。

  （7）高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单(Access Control List, ACL) 防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。

  （8）免执照频段。使用工业科学医疗(ISM)频段，915MHz(美国), 868MHz(欧洲), 2. 4GHz(全球) 。

 由于此三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。

 这三个频带的扩频和调制方式亦有区别。扩频都使用直接序列扩频(DSSS)，但从比特到码片的变换差别较大。调制方式都用了调相技术，但868MHz和915MHz频段采用的是BPSK，而2.4GHz频段采用的是OQPSK。

 在发射功率为0dBm的情况下，蓝牙通常能有10米的作用范围。而ZigBee在室内通常能达到30-50米的作用距离，在室外空旷地带甚至可以达到400米(TI CC2530不加功率放大)。

所以ZigBee可归为低速率的短距离无线通信技术。

四、ZigBee联盟

   ZigBee联盟是一个高速成长的非盈利业界组织，成员包括国际著名半导体生产商、技术提供者、技术集成商以及最终使用者。联盟制定了基于IEEE802.15.4，具有高可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。

   ZigBee联盟的主要目标是以通过加入无线网络功能，为消费者提供更富有弹性、更容易使用的电子产品。ZigBee技术能融入各类电子产品，应用范围横跨全球的民用、商用、公共事业以及工业等市场。使得联盟会员可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计出简单、可靠、便宜又节省电力的各种产品来。

   ZigBee联盟所锁定的焦点为制定网络、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；管理技术的发展。

   ZigBee联盟对ZigBee标准的制定：IEEE802.15.4的物理层、MAC层及数据链路层，标准已在2003年5月发布。ZigBee网络层、加密层及应用描述层的制定也取得了较大的进展。V1.0版本已经发布。其他应用领域及其相关的设备描述也会陆续发布。由于ZigBee不仅只是802.15.4的代名词，而且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进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有。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，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。

五、ZigBee技术应用

  上面介绍了ZigBee的一些技术优势，也谈到了不足之处，目前有些说法把它跟其它他的无线技术，如Wi-Fi、Bluetooth、RFID、NFC等等进行类比，说某种技术不如另一种，甚至说某种技术要取代另一种，这样的说法是片面的。作为一种低速率的短距离无线通信技术，ZigBee有其自身的特点，因此应该有为它量身定做的应用，尽管在某些应用方面可能和其他技术重叠。下面就来简单看看ZigBee可能的一些应用，包括智能家庭、工业控制、自动抄表、医疗监护、传感器网络应用和电信应用。

   智能家居：家里可能都有很多电器和电子设备，如电灯、电视机、冰箱、洗衣机、电脑、空调等等，可能还有烟雾感应、报警器和摄像头等设备，以前我们最多可能就做到点对点的控制，但如果使用了ZigBee技术，可以把这些电子电器设备都联系起来，组成一个网络，甚至可以通过网关连接到Internet，这样用户就可以方便的在任何地方监控自己家里的情况，并且省却了在家里布线的烦恼。

   工业控制：工厂环境当中有大量的传感器和控制器，可以利用ZigBee技术把它们连接成一个网络进行监控，加强作业管理，降低成本。

   自动抄表：抄表可能是大家比较熟悉的事情，像煤气表、电表、水表等等，每个月或每个季度可能都要统计一下读数，报给煤气、电力或者供水公司，然后根据读数来收费。现在在大多数地方还是使用人工的方式来进行抄表，逐家逐户的敲门，很不方便。而ZigBee可以用于这个领域，利用传感器把表的读数转化为数字信号，通过ZigBee网络把读数直接发送到提供煤气或水电的公司。使用ZigBee进行抄表还可以带来其它好处，比如煤气或水电公司可以直接把一些信息发送给用户，或者和节能相结合，当发现能源使用过快的时候可以自动降低使用速度。

   医疗监护：电子医疗监护是最近的一个研究热点。在人体身上安装很多传感器，如测量脉搏、血压，监测健康状况，还有在人体周围环境放置一些监视器和报警器，如在病房环境，这样可以随时对人的身体状况进行监测，一旦发生问题，可以及时做出反应，比如通知医院的值班人员。这些传感器、监视器和报警器，可以通过ZigBee技术组成一个监测的网络，由于是无线技术，传感器之间不需要有线连接，被监护的人也可以比较自由的行动，非常方便。

   传感器网络应用：传感器网络也是最近的一个研究热点，像货物跟踪、建筑物监测、环境保护等方面都有很好的应用前景。传感器网络要求节点低成本、低功耗，并且能够自动组网、易于维护、可靠性高。ZigBee在组网和低功耗方面的优势使得它成为传感器网络应用的一个很好的技术选择。

   电信应用：在2006年初的时候，意大利电信就宣布她研发了一种集成了ZigBee技术的SIM卡，并命名为“ZSIM”[5]。其实这种SIM卡只是把ZigBee集成在电信终端上的一种手段。而ZigBee联盟也在2007年4月发布新闻，说联盟的成员在开发电信相关的应用[6]。如果ZigBee技术真得可以在电信领域开展起来，那么将来用户就可以利用手机来进行移动支付，并且在热点地区可以获得一些感兴趣的信息，如新闻、折扣信息，用户也可以通过定位服务获知自己的位置。虽然现在的GPS定位服务已经做得很好，但却很难支持室内的定位，而ZigBee的定位功能正好弥补这一缺陷。

结语：

   ZigBee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，是无线个人网络不可缺少的组成部分，其成功的关键在于大量丰富而便捷的应

用，而不是技术本身。

   ZigBee正式版本协议即将公布，业界更多的研发力量正在转到应用设计和实现、互联互通测试和市场推广等方面。我们有理由相信，在不远的将来，本文所提到的很多应用以及更多的“杀手锏”应用将出现在我们的生活中，并将极大地改善我们的生活和工作。

参考文献：

1、 Jose A Gutierrez，Ed Gallaway，Vinay Mitter,et al.IEEE 802.15.4-A Developing Standard for Low-Power,Low-Cost Wireless Personal Area Networks.IEEE Network  Magazine.2001(9/10)

2、 Jose A Gutierrez，Ed Gallaway，Boh Heile,et al.Home Networking with IEEE 802.15.4:A Developing Standard for Low-Rate Wireless Personal Area Networks.IEEE Communication Magazine.2002(8)

3、ZigBee技术及应用   瞿雷、刘盛德、 胡咸斌   北京航空航天大学出版社 (2007-09)

4、ZigBee网络原理与应用开发 吕治安 北京航空航天大学出版社 (2008-02)

5、ZigBee无线传感器网络设计与实现 王小强、欧阳骏、黄宁淋、 粟思科 化学工业出版社 (2012-06)