ZigBee无线通信技术及其应用研究

刘黎明，陈天喜，陈凯（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲，412001）



ZigBee无线通信技术及其应用研究

刘黎明，陈天喜，陈凯
（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲，412001）

随着现代通信技术的快速发展，用于终端间直接通信的各类短距离无线通信技术越来越有市场。无论是手机使用的耳机、蓝牙，还是卫星、GPS定位等都离不开无线通信技术。基于此，本文详细介绍了Zig Bee无线通信技术的原理和特点，阐述了其在城市轨道交通行业、医疗监控、家庭智能网络无线控制等中的相关应用，分析了Zig Bee和GPRS技术相结合的应用方案等。

ZigBee无线通信技术；应用研究；家庭智能

引言

目前使用的蓝牙受到技术因素的影响，存在着研发成本高、传输不稳定等缺点，制约了蓝牙技术的普及应用。因此研发传输可靠性高、成本低、网络容量大、安全性能好的无线通信技术，也就是新型的Zig Bee无线通信技术已经成为目前主要技术潮流。Zig Bee是基于 IEEE802.15.4标准的一类近距离无线组网通信技术，具备成本较低、功耗较小、低速率、网络容量大等特点［1］，Zig Bee无线通信技术在城市轨道交通系统、医疗监控系统、智能家居系统中得到广泛应用。

1　Zig Bee 无线通信技术的基本原理

Zig Bee该技术原理是利用距离相对较短、能够在短时间内实现使用者之间相互进行通信的目的。Zig Bee无线通信技术的安全性、组网能力、软件寻址等技术都是建立IEEE颁布的802.15.4无线标准基础上。Zig Bee无线通信技术比较适用于信息、数据等流量小的各种业务，因为这样能够很容易将其嵌入体积小、方便携带的各类通信设备上。Zig Bee无线通信技术也具备优异的地理定位性能［2］。目前，Zig Bee无线通信技术在我国很多领域都得到了充分应用，比如医疗机构、工业领域、智能居家等环境。不少相关的技术研究人员很是看好Zig Bee无线通信，并预言其在未来会得到更为广泛的应用。

2　Zig Bee无线通信技术的特点

2.1传输可靠性高

Zig Bee的数据链路层运用了CSMA-CA（ 载波监听多路访问/冲突避免）技术，这类技术是利用竞争仲裁来处理数据传输环节中所产生的冲突。如果网络传输量较小时，产生冲突的机率也就较小，进而使得网络的吞吐量不断增大，传输速率提高，从而提升了数据传输的可靠性。

2.2成本极低

Zig Bee 无线通信技术之所以能以较快的速度发展并得到广泛的应用，主要是得益于其非常低的生产生本。就目前来说，最为基础的Zig Bee模块的成本仅为五十元左右，而且其自身无线通信技术的协议等都是不需要任何成本投入的。这样一来，低成本就在很大程度上推动了 Zig Bee无线通信技术的快速发展。

2.3网络容量较大

Zig Bee有三类不同的拓扑结构，分别为：星型、簇状性和网状性。每种拓扑结构的主节点最多能管理255个子节点，主节点也能由上一层的结点进行管理，这样一来，大约可以构成68000个节点的超大型网络，从而大大增加了Zig Bee技术的网络容量。

2.4安全性较好

最新研发的 Zig Bee 无线通信技术主要利用了数据包完整、科学、可靠的检测性能，不但可以做到识别、支持认证以及签权，而且还可以应用AES-128这一加密型算法。这些功能的有机结合，Zig Bee 无线通信中的所有软件、应用就都能够极为便利地认证其自身的安全、可靠性。除此之外，其还应用了摩擦避免对策，也为日后扩充安装其他通信工程保留了充足的空间，从而很好地减少了往后传输数据、流量的冲突等问题。

3　Zig Bee 无线通信技术的应用

3.1城市轨道交通行业

轨道交通是近些年新起的一类交通行业，在很大程度上缓解了城市交通拥挤的状况。而轨道交通中设备与列车的运行状况将直接影响到车上乘客及乘务员的生命安全，因此为了有效保证人员的安全，需要展开密切的监测工作。由于Zig Bee 无线通信技术具有低能耗、低成本、时延较短等一系列的特点，成了轨道交通行业展开监测工作的最佳选择工具。另外，Zig Bee 无线通信技术比较适合短距离通信，所以必须结合传输速率较高的远距离通信技术，以实现其在轨道交通行业中发挥更好的监测效果。因此，在轨道交通列车的监测中，通常把Zig Bee无线通信技术和GPRS技术相结合，这样就完成了传输距离远、安全性较高、成本较低的列车实时监测。图1为Zig Bee无线通信技术和GPRS技术相结合后的监测系统结构示意图。

图1　监测系统结构示意图

3.2医疗监控以及其通信传输

首先，医院的网络数据库中必将存有一个相关的数据管理中心，通常来说，为了看护人员可以及时、准确地看到主治医生和病患所传输的数据、信息，医院中的数据管理中心将会设立在护士日常值班的地方［3］。在这个极为重要的数据管理中心里，会设有一个Zig Bee的无线网络接入点，其主要的作用就是将所有病房里的无线网络和数据管理中心的网络连通起来，然后利用这一网络接入点来展开各种无线网络数据的传送。

通常情况下，网络接入点的主要移动设备是一台小型的无线Zig Bee路由器。同时，在所有病房里也都会设置一台小型的无线Zig Bee路由器，其主要是为了处理好网络接入点与每个病患间的信息传输。我们知道为了能够有效保障病患的生命安全，每一个病床边都会设置一台Zig Bee病房监控设备或者是传呼器。一旦病患出现任何问题或是需要帮助时，只要按下传呼器，医护人员就会立刻赶来救治或帮助。实现方法是：当病房内的传呼器被按下时，其通过Zig Bee无线网络，将数据及时传送到值班地点的数据管理中心，这样就保证了值班医护人员可以及时看到呼叫信息。

3.3智能家居无线控制网络

随着现代人们生活水平的不断提高，对智能家居生活越来越向往，这同时也带动了智能家居的快速发展。一般来说，在现代智能家居无线网络控制中采用的主要是Zig Bee无线技术。

无线网络的构建主要是建立在现代互联网的基础之上，但因为现代建筑的面积渐渐扩大，所以更加需要Zig Bee无线控制技术来有效解决其距离上的问题［4］。要想在家中设立好 Zig Bee无线控制网络，第一步就需要设立好ARM 型的家庭网络控制开关，这样才能实现对家电的有效控制。

接着，就应该在最为合适的位置安装好一台Zig Bee无线网络路由器，其主要作用是将所有家电和中心网络控制开关连接起来，从而实现所有数据的传送。而在整个无线网络中，所有家电终端设施都必须嵌入Zig Bee无线板块，这样才能完成数据的相互交换。每个家电终端的操控系统完全能够和中心网络控制系统相联合，当然，同时也可以设立部分遥感控制系统，例如，声控微波炉的开关、照明灯的开关等［5］，这些遥感控制在Zig Bee无线控制网络出现之前，都只能依靠多个数据口相连接来实现。

3.4仓储物流系统

在现代庞大、繁多的仓储物流系统中，对无线信息传送技术的需求是十分巨大的，并且仓储物流对无线信息传送技术要求是成本较、少、安全性高等，这些基本要求都是现代Zig Bee无线通信技术所具有的优势，所以在仓储物流系统中采用Zig Bee 无线通信技术的效果是极为理想的。一方面，Zig Bee无线通信技术可以较好的实现仓储物流中行车与总控制台两者间的较长距离通信、交流，这是其他通信技术难以做到的。另一方面，Zig Bee无线通信技术中所采用的网络构造，可以有效完成通信、数据间及时、可靠的传输。不仅如此，仓储物流中行车的具体地理位置是完全不固定的，所以其数据间的传输技术就需要更高的灵动性。

4　结束语

从全文的解析和研究中，我们可以总结出Zig Bee无线通信技术在人们的生产、生活中扮演着重要的角色，并在一定程度上推动着现代社会的发展进步。文中详细介绍了Zig Bee无线通信技术所具有的五大特点，正是这些特点使得Zig Bee无线通信技术在现代社会中得到了非常广泛的应用。比如，利用传输数据的及时性，将其很好地应用到了医疗领域；利用其抗干扰性较强的特点，将其应用到了智能家居无线控制网络中；利用其长距离传输、成本较低等特点，将其应用到了现代仓储物流系统中等。

在现代生活、生产中，Zig Bee无线通信技术的出现帮助人们解决了很多问题，也大大提高了企业的工作效率和经济效益。因此，笔者认为Zig Bee无线通信技术在未来一定会得到更为广泛的运用，从而进一步推动在各领域的发展。

［1］刘国庆 短距离无线通信主要技术及应用研究［J］-《中国科学人》-2015，06.

［2］陈展短距离无线通信关键技术及应用发展前景［J］-《科技传播》-2013，11.

［3］胡小海 一种基于Zig Bee无线网络多参数医疗监护结点的设计［J］-《北京生物医学工程》-2015，02.

［4］卢子青 基于Zig Bee通信的智能家居控制系统［J］-《学园》-2013，08.

［5］刘欢 基于Zig Bee技术的智能家居系统内部网络设计［J］-《电子设计工程》-2015，07.

刘黎明（1979-）， 工程师，轨道交通信息系统。

E-mail: liulm@teg.cn

陈天喜（1981-）， 工程师，轨道交通信息系统。

E-mail:chentx@teg.cn

陈凯（1984-）， 工程师，轨道交通信息系统。

E-mail:chenkai@teg.cn

Research Technology and Application on Bee Zig Wireless Communication

Liming Liu， Tianxi Chen， Kai Chen
（Zhuzhou Zhongche times electric Limited by Share Ltd.， Zhuzhou， Hunan， 412001， China）

With the rapid development of modern communication technology， all kinds of short distance wireless communication technology， which is used for direct communication between terminals， has become more and more popular. Whether it is the use of mobile phones， Bluetooth， or satellite， GPS positioning and so on are not separated from the wireless communication technology. Based on this. In this paper， we first introduce the principle and characteristics of Zig Bee wireless communication technology，and its application in urban rail transit industry， medical monitoring， smart home wireless network control in order to be able to make people have a more clear knowledge and understanding on the ZigBee wireless communication technology.

ZigBee Wireless Communication Technology； Application Research； Family Intelligence

TN925

A

2095-8412 （2016） 03-431-04