ZigBee技术及在安防系统中的应用

文/刘琰

无线传感器网络

传统安防系统中所采用的视频监控系统、传感器系统以及报警系统等都是基于有线通信，包括数字或模拟视频传输、IP网络报文传输、串口码流传输、开关和模拟量传输等内容。有线设备由于安装和布线成本高昂，施工和部署费用已经成为安防系统建设中最主要的成本来源之一。另外，设备终端必须使用线缆连接，这在很大程度上限制了网络结构的灵活性和设备的可移动性，在一些特殊的应用环境，如旋转、移动的监测对象，或工作于强腐、高危性环境下，或者需要小范围、高密度部署监测点时，以及需要快速临时搭建监控网络的场合，有线组网都很难满足需求。

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由部署在监测区域内大量静止或移动的廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，以协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内被感知对象的信息，并最终把这些信息发送给网络的所有者。与有线传感器网络相比，具有成本低、功耗小、灵活性强、可靠性高的特点。而且无线传感器通常不采用外接电源的方式，而是靠自身携带的电池供电，可以长期放置在荒芜地区或高危环境，用于监测环境变量，可以大量节约部署和维护的资金与人力成本。广泛应用在军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。

无线传感器网络的协议发展经历了几个阶段，日趋成熟。在研究初期，人们一直认为成熟的Internet技术加上自组织路由机制对传感器网络的设计是足够的，但后续的研究却表明，传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求：传统网络以传输数据为目的，是以地址为中心的网络；而传感器网络是以数据为中心的网络。于是出现了无线局域网（WLAN）和蓝牙（Bluetooth）等无线网络技术，推动了无线传感器网络的发展。

ZigBee技术

蓝牙是当前最广泛应用的短距离无线通信技术，尽管其有许多优点，但对工业自动化控制和安防监控领域而言，蓝牙技术存在复杂性高、功耗大、距离近、组网规模太小等缺点。而且，对于工业级监控现场，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。经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年正式问世。

ZigBee译为“紫蜂”，这一名称来源于蜜蜂的八字舞，是一种短距离、低功耗的无线通信技术，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。ZigBee技术并不是完全独有、全新的标准，它的物理层和MAC层采用了IEEE802.15.4的协议标准。但ZigBee联盟在此基础上进行了完善和扩展，并制定了上层协议规范，并负责高层应用、测试和市场推广等方面的工作。先后推出了ZigBee 2004，ZigBee 2006，ZigBee 2007/ZigBee PRO等版本。

ZigBee技术具有如下的技术特点：

数据传输速率低。只有10～250Kb/s，专注于低传输速率应用，适用于无线传感器网络，不适合传输语音、视频等的大数据量内容。

功耗低。在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模式，耗电量仅仅只有1μW。ZigBee节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右。ZigBee技术在协议上对电池使用也作了优化，对于某些典型应用，碱性电池甚至可以使用数年。

数据传输可靠。ZigBee的MAC层采用双向确认的CSMA-CA碰撞避免机制以提高系统信息传输的可靠性。同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，针对时延敏感的应用也做了优化，通信时延和休眠状态激活的时延都非常短。

网络容量大。通过网络协调器组建无线传感器网络，整个网络最多可以支持超过65000个ZigBee网络节点，再加上各个网络协调器可互相连接，整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。

射频技术先进。ZigBee使用工业科学医疗（ISM）频段：915MHz（美国），868MHz（欧洲），2.4GHz（全球）。这三个频带的扩频都使用直接序列扩频（DSSS），调制方式都用了调相技术，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。

自动动态组网、自主路由。无线传感器网络是动态变化的，无论是节点的能量耗尽，或者节点损坏，都能使节点退出网络而不影响剩余节点的通信。新的节点加入后也能自动搜素和获得报文转发路由。

安全性。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了接入控制清单（ACL）和高级加密标准（AES）的对称密码加密功能来保护数据净荷和防止非法器件获取数据。

成本低。Zigbee模块的成本在数美元左右，预计很快就能降到1美元～2美元，且ZigBee协议免专利费用。

ZigBee网络拓扑结构

ZigBee技术具有强大的组网能力，支持星型、簇状型、网状型3种网络拓扑结，如图1所示，每种网络都有各自的优点。

网状型网络从源节点到达目的节点可以有多条路径，路径的冗余加强了网络的可靠性，如果原先的路径出现了问题，比如受到干扰，或者其中一个中间节点出现了故障，ZigBee可以切换到另一条路径。另外，该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络，具有很大的路由深度和网络节点规模，并具备自组织、自愈功能，从而降低了网络的维护成本。因此，在工业监测和安防监控网络中通常采用网状型结构。

图1：ZigBee拓扑结构

ZigBee网络中包含3种设备类型：ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。每个网络都必须包括一台ZigBee协调器，协调器是整个网络的中心，负责网络的组织和维护。ZigBee路由器负责网络中数据包的路由选择，并能够用来拓展网络的范围。而终端设备则是实现具体功能的单元。根据功能来划分，ZigBee设备又分为全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD），后者的成本和系统资源开销只有前者的几分之一。协调器和路由器必须为FFD，而终端设备可以是FFD，或者是RFD。

ZigBee技术在安防监控系统的应用

图2所示是一个应用ZigBee无线传感器网络构建的新型安防监控系统模型。系统包括被监控对象、ZigBee无线传感器网络、高清摄像头、声光报警设备、监控主机、及必要的有线/无线网络设备等组成。

图2：安防监控系统

ZigBee无线传感器网络由部署在监控对象周围的ZigBee传感器终端节点、ZigBee路由节点和ZigBee协调器组成。传感器节点采集被监控对象的各种物理参量，经A/D转换后由内嵌的ZigBee无线模块进行发送，数据经ZigBee路由节点（或其他具有路由功能的传感器节点）逐跳转发至ZigBee协调器。

传感器终端节点长期处于深度休眠状态以减少能耗，到达检测周期时进入工作状态，完成数据采集和上报后恢复休眠。当出现异常状态时，传感器的读数超过设定的临界值，此时触发节点单片机芯片的硬件中断，强制激活节点，自动进入数据采集和上报程序。完成上报后，在预设的延时时间内，节点持续进行采集和上报，保证对异常状态的完整监控。直到异常事件消失已超过延时时间或者监控主机下发取消监控命令后，节点再次恢复休眠状态。

ZigBee协调器是ZigBee无线网络与外部以太网络的接口，作为系统的核心负责整个网络的管理以及数据的转发，它通过收发模块接收多个节点的数据，由嵌入式控制器对接收到的数据进行必要的协议处理，然后将其经过以太网络发送到监控主机。同时ZigBee协调器对内负责启动、组织和管理整个ZigBee无线网络，将传感器节点的运行状态和异常信息等向监控主机汇报。

监控主机主要实现的功能有：设备管理与设置、安防监测与异常判断功能、音视频监视和硬盘录像功能、现场声光报警功能、接受用户远程访问功能等。配合具有协议转换功能的ZigBee协调器，将ZigBee协议转换为TCP/IP协议后，原有支持网络报警器的传统型安防监控主机不做功能扩展即可配合ZigBee无线传感器网络工作。

图3：监控主机功能模块

而在原有的安防监控主机基础上进行简单扩展，增加全功能的内置ZigBee模块就可以实现监控主机与ZigBee协调器的集成，如图3所示。对于可集中部署的小型监控场所，更具便捷性与成本优势。

结束语

ZigBee技术作为短距离通信领域最新的发展热点，具有低成本、低功耗、动态路由、自动组网、容量巨大、成本低廉、应用简单等特征，因此非常适合在新型安防监控系统的无线传感器网络中大量使用。本文介绍了ZigBee技术的基本概念和技术特点，并给出了ZigBee无线传感器网络在安防监控系统中的应用方案，可以解决现有有线部署时现场设备移动受限和网络结构难以灵活变化的问题，使数据的传输更加灵活、组网更加便捷。可以预见，随着ZigBee无线设备的发展成熟及其成本的进一步降低，其在安防监控领域将获得越来越广阔的发展空间。