低功率近程通信技術ＺｉｇＢｅｅ的特點及應用研究

摘要：作為一種新興的近距離、低功耗通信技術，ZigBee具有不同于其他通信技術的技術特點。同時，ZigBee自身的技術特點決定了這門技術的應用。

關鍵詞：近距離；低功耗；ZigBee的特點；ZigBee的應用

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)35-2274-02

Research on the Characteristics and Use of Low Power and Close Rang Communications Technology ZigBee

QI Jin，CHEN Wen

(Guizhou University，Electronic Science and Information Technology Institute，Guiyang 550025，China)

Abstract: As a new communications technology of close rang and low power consumption，ZigBee have technical

characteristics which is different from other communications technologies.At the same time，the technology characteristics itself determines the use of ZigBee.

Key words:close rang;low power consumption;characteristics of ZigBee;use of ZigBee

1 ZigBee概述

ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低復雜度、低數據傳輸速率、低成本的雙向無線網絡通信技術。它主要用于近距離無線連接，適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。它有自己的無線電標準，可以在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。而這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。最后，這些數據就可以進入計算機，用于分析或者被另外一個無線技術如WiMax收集。

ZigBee的基礎是IEEE802.15.4，這是IEEE無線個人區域網（Personal Area Network，PAN）工作組的一項標準，被稱作IEEE802.15.4（ZigBee）技術標準。ZigBee不僅只是802.15.4的名字。由于IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議，因此ZigBee聯盟對其網絡層協議和API（應用編程接口）進行了標準化。ZigBee的終端設備只需占用4K字節的通信資源，而作為Hub（網絡集線器或網絡中心）或路由器的ZigBee協調器需要占用32K字節的通信資源。每個協調器可連接多達254個節點，幾個協調器則可形成一個網絡，對路由傳輸的數目則沒有限制。另外ZigBee聯盟還開發了安全層，以保證這種便攜設備不會意外泄漏其標識，以及保證這種利用網絡的遠距離傳輸不會被其它節點獲得。

2 ZigBee的技術特點

由于ZigBee物理層、MAC層、網絡層和應用層的特殊設計，使得ZigBee具有以下一些特點：

數據傳輸速率低：只有10kbps到250kbps，專注于低傳輸應用。

低功耗：由于工作周期較短、收發信息功耗較低且采用了休眠模式，可以確保兩節五號電池支持長達六個月到兩年左右的使用時間。由于不同應用具有不同的功耗，因此具體的使用時間還受到具體應用的影響。

數據傳輸可靠性高：采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸機制，發送的每個數據包都必須等待接收方的確認信息。

網絡容量大：一個ZigBee設備可以與另外254個設備相連接，一個ZigBee網絡可以容納最多65536個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在最低100個ZigBee網絡。

時延小：ZigBee針對時延敏感的應用做了優化，通信時延和休眠狀態激活的時延都非常短。設備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。

有效范圍小：有效覆蓋范圍在10～75米之間，具體依據實際發射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通家庭或辦公環境。

工作頻段靈活：使用的頻段分別為2.4GHz（全球）、868MHz（歐洲）以及915MHz（美國），均為免執照頻段。

兼容性好：與現有的控制網絡標準無縫集成。通過網絡諧調器（Coordinator）自動建立網絡，采用CSMA-CA方式進行信道存取。為了可靠傳遞，提供全握手協議。

安全性高：ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性。

實現成本低：模塊的初始成本估計在6美元左右，很快就能降低1.5~2.5美元，且ZigBee協議是免專利費的。

協議套件緊湊而簡單：ZigBee的具體實現的要求很低。ZigBee協議套件的需求估計：8位微處理器，如80C51；全協議套件軟件需要32K字節的ROM；最小協議套件軟件大約4K字節的ROM。

3 ZigBee與藍牙的比較

藍牙技術是一種無線數據與語音通信的開放性全球規范，其實質內容是為固定設備或移動設備之間的通信環境建立通用的無線電空中接口，將通信技術與計算機技術進一步結合起來，使各種3C設備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離范圍內實現相互通信或操作，它是一種低成本、低功率無線“線纜替代”技術。其傳輸頻段為全球公眾通用的2.4GHz ISM頻段，提供2Mbps的傳輸速率和10米～100米的傳輸距離。

藍牙技術已經為人們帶來了設備之間以無線方式交換數據的新體驗，并且得到了預期的迅猛發展。然而ZigBee協議的提出，其低成本的特性無疑給藍牙帶來了巨大的挑戰，甚至有人認為ZigBee有取代藍牙的可能。下面就將ZigBee與藍牙做一簡單比較，如表1所示。

ZigBee技術的目標不是要和藍牙技術競爭，而是要補充藍牙技術的盲區。藍牙技術的特性使它更適合于音頻、視頻和圖像等多媒體設備，以及需要經常交換大量數據的設備。而ZigBee技術更適合于輕巧的便攜式設備、數據交換量不高的設備、無線控制設備和需要大量掛接的設備。

雖然ZigBee和藍牙共同工作在2.4GHz的頻率上，但它們之間的干擾卻微乎其微。ZigBee模塊在未投入使用的情況下屬于低功耗的休眠狀態，因此，對藍牙設備的數據傳輸造成干擾的可能性極小。反之，如果藍牙設備對ZigBee設備的數據傳輸造成干擾，以至丟失數據包，ZigBee的發送方將收不到接收方的反饋，則發送方將重新發送數據，直到數據被正確傳輸為止。

藍牙技術填補了遠距離和中距離無線技術顧及不到的盲區，使人們感受到無線技術在設備間傳輸數據的便利，并成功地推動了短距離無線連接技術的應用。而ZigBee技術又填補了藍牙技術的空白，并以其低功耗和低成本的特性逐漸顯示出它在某些領域的優勢。

4 ZigBee的應用及發展前景

通常，符合如下條件之一的應用，就可以考慮采用Zigbee技術做無線傳輸：

1) 需要數據采集或監控的網點多；2) 要求傳輸的數據量不大，而要求設備成本低；3) 要求數據傳輸可性高，安全性高；4) 設備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；5) 電池供電；6) 地形復雜，監測點多，需要較大的網絡覆蓋；7) 現有移動網絡的覆蓋盲區；8) 使用現存移動網絡進行低數據量傳輸的遙測遙控系統；9) 使用GPS效果差，或成本太高的局部區域移動目標的定位應用。

鑒于以上特性，ZigBee在今后有望成為無線網絡的主流技術，而且支持ZigBee的設備的價格會越來越低。ZigBee將會在工業、辦公以及家庭自動化得到廣泛的應用。

1) 在工業領域，利用傳感器和ZigBee網絡，使得數據的自動采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統的重要組成部分。例如危險化學試驗的成功檢測，火警的早期檢測和預報，高速旋轉機器的檢測和維護。這些應用不需要很高的數據吞吐量和連續的狀態更新，重點在于低功耗，從而最大程度的延長電池的壽命，減少ZigBee網絡的維護成本。

2) 在醫學領域，將借助于各種傳感器和ZigBee網絡，準確且實時的監測每個病人的血壓、體溫和心跳速度等信息，從而減少醫生查房的工作負擔，有助于醫生做出快速的反應，特別是對重病和病危患者的監護和治療。

3) 在辦公自動化領域，可以借助ZigBee傳感器進行照明控制，使用傳感器檢測周圍環境，只有檢測到人來的時候才將照明開關打開。該系統還可以通過ZigBee網絡進行集中控制。

4)在家庭自動化領域，ZigBee可用于安全系統，溫度控制裝置等方面。另外將ZigBee用于遙控裝置的優點在于不像目前采用的紅外裝置那樣會受到角度的限制。而且ZigBee支持各種網絡結構，更容易擴展覆蓋范圍。同時由于ZigBee設備功耗低，電池的使用壽命也和紅外裝置的差不多。

另外，由于ZigBee的低延遲特性，ZigBee還可以用于PC機的外設。例如帶反饋的無線游戲墊或手柄可以充分利用ZigBee的低延遲特性，其性能與有線控制器是一樣。

參考文獻：

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