ZigBee技術簡介

周航正

摘 要 本文對ZigBee技術進行了簡要介紹，從傳輸頻率、功耗、傳輸距離和傳輸速率等方面將ZigBee技術與其他的主要無線通信技術進行了比較，分析了ZigBee技術的優勢，以及ZigBee技術的協議架構。

關鍵詞 ZigBee 傳輸頻率 功耗 傳輸距離

近些年來無線通信技術得到了飛速發展，目前主要的無線通信技術包括ZigBee、紅外、藍牙和Wi-Fi等。其中紅外技術是發展時間比較長的傳統無線通信技術之一，具有成本低廉、方便操作和易于實現等特點，但紅外容易在傳播過程中被障礙物遮擋，并且紅外技術只能進行單點連接，不能多點組網；藍牙技術目前的應用比較廣泛，市面上常見藍牙耳機、鼠標等產品，但是由于藍牙技術的協議比較復雜，能耗又相對較高，使得藍牙技術的發展受到了極大的限制；Wi-Fi技術憑借其傳輸速度快，穩定性高的特點近些年備受關注，但該技術也具有能耗大，成本高，保密性能不好等缺點；ZigBee技術是基于IEEE802.15.4無線標準進行研發的一種短距離、低功耗、低數據傳輸速率、低復雜度、低成本的雙向無線通信技術，ZigBee技術的經濟、高效、可靠等特點使得該技術在無線通信技術領域的應用前景極為廣闊。ZigBee、紅外、藍牙、Wi-Fi、移動網絡技術的特性比較如表1所示。

1 ZigBee技術簡介

ZigBee技術是一種近年來興起的的短距離、低速率、低功耗的雙向無線通信技術。ZigBee的名字來源于蜜蜂，當蜜蜂發現食物后，會通過跳“Z”字形的舞蹈來向同伴傳遞食物位置和方向等信息。由于蜜蜂體積小，所需能量小，能傳輸信息等特點與該技術特點相吻合，所以人們將該技術命名為ZigBee。

ZigBee技術的特點是近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本。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，是為了滿足小型廉價設備的無線聯網和控制而制定的。

2 ZigBee技術的特點

2.1低功耗

ZigBee技術的傳輸速率低，傳輸數據量小，信號收發時間短，并且在非工作狀態下處于自動休眠模式，所以ZigBee節點的功耗非常低。由于電池種類、網絡容量和應用場合等條件的不同，電池的使用時間也不相同，通常情況下ZigBee節點在兩節5號干電池供電的情況下可工作6個月到2年，而使用堿性電池則可以工作數年，對于某些長時間處于休眠模式的工作，電池壽命甚至可以超過10年。

2.2高可靠度

ZigBee技術在媒體接入控制層（MAC層）采用了talk-when-ready碰撞避免機制，這是一種完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息，如果沒有收到確認信息則再傳一次。同時為需要固定帶寬的通信業務預留專用時隙，避免了數據發送時的競爭和沖突，有效地提高了系統信息傳輸的可靠性。

2.3大網絡容量

單個ZigBee網絡中最多可同時搭載255個設備，包括一個主設備（Master）和254個從設備（Slave），并且在同一地點最多可以有100個ZigBee網絡同時工作。如果使用Network Coordinator可使整個ZigBee網絡同時搭載65000個節點，而且Network Coordinator相互之間可以進行連接，這樣將使網絡中同時存在數量極多的傳感器節點。比如ZigBee2006版的協議棧就能夠容納3萬多個節點。

2.4低成本

ZigBee技術的協議棧設計簡練，所以研發和生產成本相對較低，并且ZigBee協議是免專利費的，ZigBee模塊的初始成本大約在6美元左右，而且一直在降低，很快可以降到0.25至1.5美元左右。

2.5高安全性

ZigBee技術提供了基于循環冗余碼校驗（CRC）的數據完整性檢查和鑒權功能，并采用AES-128加密算法，各應用可以靈活的確定其安全屬性，使得網絡安全性得到了較高的保證。

2.6短時延

ZigBee技術對通信時延以及系統喚醒時延等問題也做出了處理。系統喚醒時延一般為15ms，網絡搭建時延一般為30ms，移動設備加入網絡時延為15ms。

3 ZigBee協議架構

為了使不同種類的ZigBee設備能夠在同一個無線網絡中協同工作，我們必須首先對節點間的通信規則進行定義，也就是規定ZigBee協議棧。ZigBee技術最為重要的核心就是ZigBee/802.15.4C51源代碼，這些源代碼長達幾萬行，它們與ZigBee無線單片機的內核相互配合來進行收發及校驗數據包、路由計算和網絡拓撲控制等任務。目前已經有TI、Freescale、Microchip等多家公司著手于研發基于本公司的ZigBee芯片的協議棧。ZigBee協議架構主要由物理層（PHY）、媒體接入控制層（MAC）、網絡/安全層以及應用框架層組成，其體系結構通常是由層來量化各個簡化標準的，每一層除完成規定任務外還要向上層提供服務。

參考文獻

[1] 白樂強，王玉濤.基于非均勻分簇機制的ZigBee混合路由算法[J].計算機應用，2016，36（1）：81-86.

[2] 植宇，潘理虎，楊曉梅，卜創利.基于ZigBee技術的孤立點入網算法研究[J].計算機應用研究，2016，33（1）：189-193.