ZigBee技术在物联网中的研究应用

胡亚楠

(鹤壁职业技术学院 机电工程学院，河南 鹤壁 458030)

ZigBee技术在物联网中的研究应用

胡亚楠

(鹤壁职业技术学院 机电工程学院，河南 鹤壁 458030)

信息技术和互联网的成熟，促进了物联网的发展，在物联网中RFID主要用来实现目标定位，而物体间的信息传输则通过ZigBee来完成。基于IEEE802.15.4标准的ZigBee技术作为一种短距离、低功耗的无线传感器网络技术，广泛应用在物联网领域。文章分析了ZigBee的技术特点和网络构成及其与物联网应用的关系。

ZigBee；RFID；物联网；无线传感网络

1 概述

物联网这一概念是1999年麻省理工学院Ashton教授提出的，是在信息技术和互联网的基础上，利用射频识别、传感器网络、无线通信等技术，构造一个连接万事万物的信息网络“Internet of Things”[1]。

在物联网中，RFID用来标识物体，实现目标定位，而目标物体间的信息传输则通过ZigBee来完成。ZigBee技术以其低功耗、低数据传输速率等特点，得到广泛应用，是物联网中主要技术之一。

2 物联网组成及原理

近年来，信息技术快速发展，人们对通信的需求正朝着更加多样化、智能化、个性化的方向发展，希望打破传统的人与人的通信，使人与物之间也能通信自如，在这大潮流的驱动下，物联网应运而生，成为信息技术发展的新趋势。

物联网的核心思想是利用物理进程与计算进程的实时交互[2]，使网络延伸到物体之上，可以实现对物理系统的实时跟踪。

2.1 物联网概述

物联网是在互联网基础上通过射频识别、激光扫描器、红外感应器、GPS等设备，按约定的协议，把安装了电子标签的物体与互联网连接起来，实现对物体的自动识别和互联共享的一种网络。

2.2 物联网的组成

在不同的应用系统中物联网的组成各不相同，涉及多种技术，但基本的物联网体系都是由感知层、网络层和应用层三部分组成的[2]。

感知层，又叫射频识别RFID系统，利用射频识别、传感器、智能卡等工具，将物体的各种参数读取出来，并将其传递给通信网络；网络层，即通信层，负责物联网中的信息的传输，通过电缆、光缆、电磁波等信道在网络中传递物体的数据信息，目前所使用的移动通信、互联网技术已经十分成熟，大大满足了物联网对信息传递的需求；应用层，从网络层获取感知层采集到的数据信息，并将信息传输到数据中心，对数据进行分析、处理，并开发各种应用软件，实现不同的应用和服务，满足多种用户需求。

2.3 物联网的原理

物联网的核心思想是通过RFID、无线通信等技术、对象名解析和实体标记语言服务器，对物体信息进行控制管理，从而实现全球物体信息实时共享[3]。

物联网的精髓是感知，感知物与物之间的信息传递，通过对采集到的数据信息协同处理、智能组网、信息服务，达到控制指挥物体的目的；通信网是信息传输的网络，是人与人的相互连接；而物联网是连接现实人与物、物与物的网络。

2.4 物联网中的关键技术

在整个物联网体系中，RFID是基础，RFID技术有非接触性、耐久性、穿透力强等诸多优点，但其识别距离短，设备成本高成为RFID技术的致命伤，而ZigBee 技术的缺点则是穿透性差，若能将RFID技术与ZigBee技术集合起来，实现两者的优势互补，则对构建理想的物联网具有重要意义。

2.5 物联网的应用

物联网已广泛应用于智能交通、环境保护、公共安全、智能家居、环境监测、敌情侦查和情报搜集等多个领域[4]。

在物联网体系中，感知层的关键技术是RFID射频识别，网络层的关键技术是ZigBee。ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术，在物联网领域有很大发展潜力。

3 ZigBee技术

3.1 ZigBee技术的发展

ZigBee，又称紫蜂协议，这一词是由蜜蜂(bee)和抖动翅膀的“嗡嗡”(zig)声合成的， 蜜蜂用八字舞向同伴传递花粉的方位和距离信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络[3]。

ZigBee联盟成立以来，致力开发无线传感器网络标准。完整的ZigBee是由ZigBee联盟和IEEE802.15.4共同制定的一组基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，规定了用户传输信息过程中的距离、能耗等指标,营造了安全稳定的网络运行环境。

3.2 ZigBee技术的特点

ZigBee本质上是一种可靠性高的短程无线通信网络，与GSM网络和CDMA网络类似，ZigBee中的模块则类似于移动网络中的基站，因此理论上ZigBee可覆盖的通讯面积能无限扩展。

ZigBee具有低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全的特点，并且可以为用户提供便捷的无线数据传输功能，因此在物联网领域得到广泛的应用。

3.3 ZigBee技术的协议架构

ZigBee协议框架包含了物理层、MAC层、网络层和应用层。其中，IEEE802.15.4定义了物理层和MAC层，ZigBee联盟定义了网络层和应用层。物理层提供传输介质的接口，并通过天线收发数据；MAC层：即介质访问层，负责提供ZigBee的网络号，打包、分解数据包和帧，为相邻的节点间提供可靠的数据通信，提高通信效率，减少差错率；网络层的核心功能是处理网络地址和路由，并提供安全管理、路由管理、网络管理等功能；应用层包含应用支持子层APS和ZigBee设备对象层ZDO，主要为用户提供API函数和提供网络管理方面的函数[4]。ZigBee网络由一个协调器及多个路由器和终端设备组成。

4 ZigBee与物联网的关系

ZigBee联盟的初衷是为了开发基于无线传感器网络的开放标准。当时的想法是希望将传感器和控制器以简单的方式和较低的费用集成到其他物体上，使这些物体可以基于各种目的而方便地进行连接并交换信息。这些设备可以基于ZigBee标准进行开发设计和测试认证，从而保证设备间的互通性，提供更高的舒适度、方便性、效率及安全[5]。

物联网中的传感器在布局的时候，如果采用传统CDMA或GSM移动网络，会出现运营费用高、规模大、短距离传输需求高的现象，这是急待解决的问题，而ZigBee正是解决这一问题的途径。传感器要把数据发送给主机，可以通过ZigBee来实现，因其具有智能、方便、易建设、低成本、低功耗和免费使用等特点，特别适合作为物联网中传感网的通信方式。

5 ZigBee技术在物联网领域的典型应用

与射频识别技术相比，ZigBee技术最明显的优势是功耗低；其次ZigBee技术的传输时延短 ，不仅节能，更能在短时间内传输大量数据信息；同时，ZigBee技术还提供高灵活性的三级安全模式，保证了通信网络的安全性。以上优势，使ZigBee技术得以在物联网领域崭露头角。

在物联网中ZigBee技术的应用主要体现在三方面，一是无线传感网络，主要包括传感器、RFID等，主要实现对物的识别；二是传输网络，主要通过互联网、通信网等媒介实现数据的计算、传输、存储；三是应用网络，主要是输入输出控制终端[5]。

在物联网时代，各种‘物’对网络的要求不尽相同：多媒体设备侧重数据传输速率和服务质量，家电设备侧重传输控制指令的安全性，ZigBee技术恰好能满足这些要求。ZigBee技术以其多种优势应用于数字家庭、智能交通、汽车、农业自动化等多种领域。

6 结束语

随着物联网技术的日益成熟，ZigBee技术以其不可比拟的优越性在物联的应用中具有长远的意义和广阔的前景。ZigBee作为一种新的系统集成技术，应用软件的开发必须和网络传输，射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起，这方面的应用将会得到广泛关注。

[1] 封瑜，葛万成.基于ZigBee技术的无线传感器网络构建与应用[J].电子工程师,2007(3)：21-23.

[2] 夏益民，梅顺良，江亿.基于ZigBee的无线传感器网络[J].微计算机信息,2007,23(4)：129-130.

[3] IEEE 802.15.4[S/OL].[2016-10-10.] http: / /grouper.ieee.org/groups/.

[4] 高守玮，灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社,2007.

[5] 马驹.ZigBee在物联网中的应用[J].科协论坛,2011(2):34.

Research on Application of ZigBee Technology in Internet of Things

Hu Yanan

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,HebiPolytechnic,HebiHenan458030,China)

The maturity of information technology and the Internet promote the development of the Internet of Things. The RFID is mainly used to achieve the goal of positioning, and the transmission of information between objects should be completed through ZigBee. The ZigBee technology based on IEEE802.15.4 as a short-range, low-power wireless sensor network technology, is widely used in the field of things. This paper analyzes the technical characteristics and network structure of ZigBee and its relationship with the application of Internet of Things.

ZigBee; RFID; Internet of Things; wireless sensor network

2016-10-19

胡亚楠(1983- )，男，河南鹤壁人，高校讲师，工程硕士，研究方向：通信工程、汽车电子。

1674- 4578(2016)06- 0040- 02

TP391

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