ZigBee技術應用研究

趙建偉

摘 要：隨著智能設備的普及和移動互聯網的發展出現了各種無線網絡數據標準，本文主要對ZigBee協議進行應用研究，通過分析Zigbee技術的特點，探討這種無線網絡技術的應用場景和應用領域。

關鍵詞：ZigBee 智能家居 無線傳感網

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）06（a）-0010-01

近年來，隨著智能設備的普及和移動互聯網的發展，無線網絡得到了快速發展，在此過程中也出現了各種無線網絡數據標準，如WiFi、Wireless usb、Bluetooth、Z-wave等，不同的協議標準對應著不同的應用場景和應用領域。同時，無線傳感網絡的發展和研究也得到了快速發展，各種無線傳感網絡協議標準也日漸規范化。其中不得不提的，廣泛應用并且最具增長潛力的協議就是ZigBee協議。

1 什么是ZigBee技術

ZigBee技術是一種面向短距離、架構簡單、具備延長電池壽命、低消耗功率與低傳輸速率的無線通訊技術，具有傳輸距離長、可靠度高、省電以及高度擴充性等特點，主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。

2 ZigBee的技術特點

2.1 低傳輸速率

Zigbee標準是為低數據率、短距離無線網絡通信定義的一系列通信協議。基于Zigbee無線設備工作在868 MHz，915 MHz和2.4 GHz頻段，最大數據數率是250 kpbs。

2.2 低功耗

由于ZigBee的傳輸最大數據數率是250 kpbs，發射功率極低僅為1 mW，再加上采用了休眠模式，功耗低，因此，ZigBee設備非常省電。據估算，在低耗電模式下，一個ZigBee設備節點僅靠兩節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間。

2.3 低成本

通過大幅簡化協議（不到藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節點需要32 KB代碼，子功能節點少至4 KB代碼，而且ZigBee免協議專利費。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。

2.4 近距離

ZigBee傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發射功率后，也可以增加到1～3 km。這指的是相鄰節點間的距離。如果通過路由和節點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

2.5 短時延

ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15 ms，節點連接進入網絡只需30 ms，進一步節省了電能。相比較，藍牙需要3～10 s、WiFi需要3 s。

2.6 高容量

ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點，同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000個節點的大網。

2.7 高安全性

ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數據以及采用高級加密標準（AES128）的對稱密碼，各個應用可以靈活確定其安全屬性。

3 ZigBee技術的應用場景和應用領域

3.1 智能家居

智能家居是利用先進的計算機技術嵌入式系統和網絡通訊技術將家庭中的各種設備如照明系統環境控制安防系統網絡家電通過家庭網絡連接到一起。

據最新數據顯示，2013年智能家居全球市場規模或已達1萬億美元，到2020年，中國智能家居產值將會達到2萬億元。與此同時，ZigBee網絡技術的發展和成熟，為智能家居設備的應用提供了環境基礎，智能家居需求呈上升勢頭。

智能家居是ZigBee無線網絡的一個主要應用領域，智能家居中典型的數據速率僅有10 kps。例如ZigBee抄表系統，不但可以傳輸每月的水電使用數據，同時檢測設備存在的問題，實現對設備的無線管理。如果壁燈和開關都配備了ZigBee設備，那么，室內的任何開關都可以被指派來打開和關閉一盞電燈。

ZigBee智能家居的安裝非常簡單，不要鑿壁布線，用戶按照說明書在家就可以就地DIY，且設備移動性強，可以隨時更換設備安裝地點。

隨著全球對能源和環境的要求越來越高，而ZigBee在智能家居節能方面的效果優勢非常明顯，因此，具有非常廣闊的市場前景。ZigBee無線通信技術應用到智能家居中必將成為將來的發展趨勢和潮流。

3.2 智能醫療

為節省全球人口高齡化所衍生的醫療成本支出，減少民眾親自到醫療院所進行例行性的檢查已成為解決之道，而此須依靠內置無線通信技術的新型醫療設備來實現。在眾多可打造遠程醫療設備的無線通信技術中，ZigBee以低功耗、高傳輸距離，以及較佳的抗干擾能力備受青睞。

在國內，隨著移動互聯網、大數據的快速發展，醫療的各個細分領域如診斷、監護、治療等都將進入智能化時代。其中病人遠程監護和居民健康監察是重要的應用場景。家庭醫療用設備的數量將會大幅成長，并遠超過目前既有的數目。另外，由于無線連接功能逐漸嵌入到目前許多家用的醫療監控與感應產品中，這使得若干原本只存在于醫療用或長期照護機構內的功能，也逐漸通過無線功能進入到家庭當中，這樣的轉變增加無線傳感技術新的市場機會。對于低數據傳輸率、抗噪聲能力、低功率感應及監控網絡的需求而言，ZigBee仍會是首選解決方案。

3.3 工業控制

ZigBee網絡的初衷就是為工業現場自動化控制數據傳輸而建立的，在工業級水平上，ZigBee網絡可以用于能源管理、照明控制、過程控制和資產管理。

在工業控制領域，這些應用場景對低數據率、低成本、更長時間的電池壽命有較高的要求。ZigBee技術的優勢得以充分的發揮。在一些ZigBee應用中，無線設備持續處于活動狀態的時間是有限的，大部分時間無線設備都處于省電模式，ZigBee設備在電池需要更換以前能夠工作數年以上。

4 展望

早在2004年ZigBee技術就被列為當今世界發展最快，市場前景最廣闊的十大最新技術之一。ZigBee技術的目標就是針對工業，家庭自動化，遙測遙控，汽車自動化、農業自動化和醫療護理等領域。ZigBee非常適合于低功耗、低數據速率的監視、傳感網絡。但是任何一種技術的成功，并不只由其技術本身的因素決定，市場對技術成敗也有很大作用。即便如此，今后若干年，都將是ZigBee技術飛速發展的時期。

參考文獻

[1] 羅伯特·海利.ZigBee技術及其在物聯網中的應用[J].信息技術與標準化，2013（4）.

[2] 張旭升.ZigBee在物聯網中的應用[J].重慶科技學院學報：自然科學版，2013（4）.endprint