ZigBee應用前景淺析

王琳煜 郭創(chuàng)建

摘? 要：隨著時代的進步，傳統的人工近距離控制、檢測和采樣的方式，已經無法滿足時代的需求，而物聯網已經成為未來發(fā)展的趨勢，智能化、自動化在未來將為管理和生活帶來更多的便利性。在物聯網IoT盛行的年代，無線通信技術將起著關鍵的作用，它將可以解決遠程控制、遠程監(jiān)測和采集的問題。其中，ZigBee技術將承擔不可替代的角色，同時也面臨著BLE、Wi-Fi、Thread等技術的挑戰(zhàn)。本文將從ZigBee的5大特點出發(fā)，對比ZigBee和其他的無線通信技術各項性能和指標，剖析ZigBee的優(yōu)點及作用，并且對ZigBee技術的應用場景進行探究。

關鍵詞：物聯網;無線通信技術;ZigBee技術特點

中圖分類號：TN929.5? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）15-0195-02

Brief Analysis of Application Prospect of ZigBee

WANG Linyu1，GUO Chuangjian2

（1.ZLG Technology Corp.，Ltd.，Guangzhou? 510660，China;

2.Guangzhou Zhiyuan Electronics Co.，Ltd.，Guangzhou? 510660，China）

Abstract：With the progress of the times，the traditional manual proximity control，manual proximity detection，sampling，has not been able to meet the needs of the times，and the internet of things has become the trend of future development，intelligent，automatic in the future will bring more convenience for management，life. In the era of internet of things （IoT），wireless communication technology will play a key role，which can solve the problems of remote control，remote monitoring and collection，among which ZigBee technology will play an irreplaceable role，and also face challenges from BLE，Wi-Fi，Thread and other technologies. Starting from the five characteristics of ZigBee，this paper compares the performance and indicators of ZigBee and other wireless communication technologies，analyzes the advantages and effects of ZigBee，and explores the application scenarios of ZigBee technology.

Keywords：internet of things;wireless communication technology;ZigBee technology features

0? 引? 言

物聯網是集成度極高、整合性強的新生信息技術，它將產生新的產業(yè)變革，將對城市的智能化、低能耗等發(fā)展方向，起著至關重要的作用，且具有可持續(xù)發(fā)展的重要意義。世界各國各地均在積極參與布局，特別是美國、歐盟、日本等發(fā)達國家及地區(qū)，他們高度重視物聯網的發(fā)展，打算在未來的國際經濟科技競爭中占據主動權。近些年來，中國也不斷地推出政策，如《物聯網“十二五”發(fā)展規(guī)劃》《關于推進物聯網有序健康發(fā)展的指導意見》等，來系統性地規(guī)劃和考慮物聯網的發(fā)展和目標。在對于物聯網的規(guī)劃中，無線通信技術將是重要的組成部分，其中ZigBee無線通信技術也將承擔著不可替代的作用。在規(guī)劃中，很多規(guī)模龐大的場景功耗要求嚴苛，可靠性和安全性要求都較高，很多無線通信技術并不能滿足這些要求，但ZigBee所具備的5大特點，卻均符合這些場景的要求。

1? ZigBee5大特點

1.1? 超低功耗

由于ZigBee技術的無線傳輸速率在20～250kbit/s（8 68MHz下為20kbit/s、915MHz下為40kbit/s、2.4GHz下為250kbit/s）屬于較低的通信速率，物理層單次發(fā)送的最大數據長度只有127字節(jié)，因此信號的收發(fā)時間很短。另外，ZigBee定義了睡眠終端節(jié)點，該節(jié)點如果在休眠時，其射頻接收會處于關閉狀態(tài)，只有當發(fā)送后等待應答及請求數據時才會打開，在非工作時會立即進入睡眠模式。

如Silicon Labs推出的EFR32系列的ZigBee芯片，其接收電流只有10.2mA，而發(fā)射電流在0dBm下為8.5mA，睡眠模式EM2等級下只有2μA。由于ZigBee收發(fā)功耗較低所需的工作時間也很短，使得節(jié)點非常省電。在工作時間t1/（工作時間t1+休眠時間t2）<1%的情況下，若使用2節(jié)5號電池，其節(jié)點的續(xù)航能力可以超過5年。

1.2? 高可靠性

ZigBee采用了CSMA/CA，即沖突避免機制，編碼方式上使用了直序擴頻通信方式（DSSS），該方式可以有很強的抗干擾能力，同時在帶寬劃分上預留了一定的間隙，可以有效地避免數據發(fā)送時產生的沖突和相互競爭。另外，ZigBee MAC層還采用了確認應答機制，每一幀數據發(fā)送后均需要收到確認應答信息，如果沒有收到應答信息則表示發(fā)生了數據丟失或產生了沖突，將會重傳一次。采用這種方法可以提高數據傳輸的可靠性。

1.3? 高安全性

ZigBee提供了3種安全模式。第一種方式為無密鑰設定，對于某種特殊的、不需要較高安全性的或是有其他安全保護的措施的應用，便可以使用該方式;第二種方式為使用接入控制清單（ACL）防止通過非法的方式獲取數據;第三種方式為采用高級加密標準（AES128）的對稱加密算法，AES128的嚴密程度相當于銀行卡加密技術的12倍，可以有效地防止冒充合法用戶。用戶可以根據自身的應用場合靈活地設置所需的安全屬性。ZigBee的幀結構中要求需要利用循環(huán)冗余校驗（CRC）對數據包的完整性進行校驗和檢查，并且在組網過程中支持對即將加入的節(jié)點進行鑒權和認證。

1.4? 組網能力強

ZigBee擁有3種拓撲結構。第一種是星形網絡結構;第二種是樹形網絡結構;第三種是網狀網絡結構。從理論上講，整個ZigBee的組網規(guī)?？蛇_65535個節(jié)點，但實際中由于環(huán)境干擾、設備自身處理能力等問題，一般節(jié)點數只能達到500個。并且支持自組網，可快速地加入網絡或者重新加入網絡，無需進行同步操作，當節(jié)點故障后，網絡內可以自行恢復通信狀態(tài)。

1.5? 低成本

ZigBee芯片相比其他2.4GHz無線通信器件價格是很低的，并且現在各大芯片廠商均有生產發(fā)射功率達到19.5dBm的芯片，這可以大大降低外圍PA等器件的成本。并且ZigBee的協議?？稍诘蚏AM上運行并且所需FLASH空間較小，可以大幅降低外圍MCU的成本，而且ZigBee的協議專利免費。

2? 無線通信技術的對比

現在應用較為廣泛的無線通信技術有以下幾種：Wi-Fi無線通信技術、藍牙BLE無線通信技術、ZigBee無線通信技術。3種無線通信技術之間具體的對比信息如表1所示。

在傳輸速率方面，ZigBee適合傳輸速率要求并不快且其傳輸的數據量并不大的應用場景，可于用場景中的發(fā)送控制命令、采集上報以及報警信息等。由于ZigBee具有自組網以及網絡容量大的特點，具有在實際使用中非常容易擴展，添加或移除一個設備操作及其簡單的優(yōu)點。

由此我們可以得出ZigBee具有傳輸距離遠、網絡節(jié)點數量多、擴展性強、使用復雜度低、使用成本低、續(xù)航能力強這6個顯著特點，這些特點在不同的使用場景下，會有非常顯著的優(yōu)勢。

3? ZigBee應用場景

3.1? 工業(yè)場景

在工業(yè)自動化領域，由于ZigBee的抗干擾能力、可靠性及安全性都很高，并且功耗極低，非常適合用于與傳感器搭配，組建數據自動采集系統以及遠程遙控系統，這將使得數據分析、處理和遠程控制變得更加容易，使其可以作為決策和輔助系統的重要組成部分。例如可以將ZigBee運用于以下系統中：碼頭貨運調度系統、遠程抄表系統、水質監(jiān)控系統、城市路燈測控系統等。這些應用不需要很高的數據吞吐量和連續(xù)的狀態(tài)更新，但又需要較高的數據可靠性且對低功耗有極高的要求，這一類系統使用ZigBee將是非常合適的。

3.2? 商用場景

在智能建筑領域，如寫字樓或者商場，需要進行設備的控制及故障檢測、信息提醒等，這將使得管理及維護更加簡單、快捷，但這些場合都有一個共性，便是規(guī)模比較龐大，所需的節(jié)點數量多，對于安全性的要求也比較高，而ZigBee的容量大、安全性高的特點剛好滿足其要求。例如可以將ZigBee運用于以下系統中：智能監(jiān)獄無線管理系統、酒店管理系統、點陣信息提醒系統等。這些應用不需要經常移動放置地點，規(guī)模比較龐大，需要非常容易地進行組網、加網并且安全要求高，這一類系統使用ZigBee將是非常合適的。

3.3? 家庭場景

在家庭智能化領域，由于需要方便用戶擴展，因此擴展性需求較高，所需的節(jié)點數量比較多，并且其使用復雜度需要很低，同時有些產品功耗需要很低，電池幾年一換，剛好ZigBee可以滿足這一系列的條件。例如可以將ZigBee運用于以下系統中：窗簾智能控制系統、門磁系統、紅外煙霧檢測系統、家庭照明控制系統等。這些應用場景大多需要可擴展性強，節(jié)點數量多，并且非常容易使用，這一類系統使用ZigBee將是非常合適的。

4? 結? 論

物聯網的時代將向著工業(yè)自動化、建筑智能化、家庭智能化全面發(fā)展，對于這些場合的能耗、可靠性、安全性、組網容量、成本都有較高的要求，而ZigBee的5大特點剛好滿足這些場合的需求，并且ZigBee憑借其所具備的這5大特點，在眾多無線技術中表現得非常出色，有著不可替代的作用，相信ZigBee無線通信技術在物聯網時代將會有非常龐大的市場需求。

參考文獻：

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[3] 蔣挺，趙成林.紫蜂技術及其應用 [M].北京：北京郵電大學出版社，2006.

作者簡介：王琳煜（1992-），男，漢族，廣東汕頭人，嵌入式軟件工程師，本科，研究方向：通信技術及應用;郭創(chuàng)建（1991-），男，漢族，廣東汕頭人，嵌入式軟件工程師，本科，研究方向：通信技術及應用。