ZigBee技术的研究与应用

张少凡　魏长军　张少敏

摘要：ZigBee无线传感器网络已成为当前的一个研究和应用热点，ZigBee是一种低功耗、低速率、低成本、近距离的新兴无线通信技术，它具有广泛的应用前景，本文首先介绍了ZigBee协议体系和组网方式和网络的实现，接着概述了ZigBee技术目前的应用，最后对ZigBee技术提出展望。

关键词：ZigBee；无线通信技术；协议体系；组网方式

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）02-0261-03

ZigBee Technology Research and Application

ZHANG Shao-fan1， WEI Chang-jun1， ZHANG Shao-min2

（1. ShenYang Ligong University，Shenyang 110159， China； 2. College of Information and Business， North University of China， Yuci 030600， China）

Abstract： Nowadays， ZigBee wireless sensor network has become a research and applied hotspot. ZigBee is a new wireless communication technology with low power ， low data rate， low cost and close range. It has wide application prospect. This paper introduces ZigBee protocol system and network mode and network implementation. Then， It will be summarized the application of ZigBee technology. Finally， the prospect of ZigBee technology is put forward.

Key words： ZigBee；wireless communication technology；protocol system；network mode

1 概述

ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低速率、低功耗、低成本的无线传感器网络技术。ZigBee是在IEEE 802.15.4的无线通信协议标准上建立的。主要由IEEE 802.15.4小组和ZigBee联盟两个组织负责制定标准的规范。ZigBee是由65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台， 每一个ZigBee 网络模块之间可以进行通信， 每个网络节点间的距离可以从标准的75m到扩展后的几百米，甚至几千米；另外，整个ZigBee网络不仅可以无限扩展，而且还可以与各种传统网络进行连接[1]。ZigBee技术主要应用在低速率无线通信领域，如：家庭自动化、家庭安全、工业与环境监控、个人医疗看护等行业中的。

2 ZigBee协议体系和网络构成

2.1 ZigBee协议体系

ZigBee协议栈是在IEEE 802.15.4的基础上建立的，IEEE 802.15.4是低速率个域网（LR-WPAN）的标准，只定义了ZigBee的物理（PYH）层和媒体接入控制（MAC）层，属于IEEE 802.15.4工作组，而ZigBee联盟规定了ZigBee协议的网络层（Network Layer，NWK）、应用层（Application Layer，APL）和安全服务提供层。其中应用层包括应用支持子层（Application Support Sub-Layer，APS）、应用架构层（Application Framework，AF）、ZigBee设备对象（ZigBee Device Objects，ZDO）及制造商定义的应用对象[2]。ZigBee协议的体系架构如图1所示。

2.2 ZigBee网络构成

Zigbee网络中的成员按照功能划分分为终端节点ZE（ZigBee EndDevice）、路由节点ZR（ZigBee Router）和协调器ZC（ZigBee Coordinator）3种节点类型。ZigBee网络支持IEEE 802.15.4定义的两种类型的物理设备：全功能设备（Full Function Device，FFD）、精简功能设备（Reduce Function Device，RFD）[2]。FFD和RFD是按照节点的功能区分的，其中FFD可以作为网络中的协调器、路由器和终端设备，而RFD只能与FFD设备通信，只能用于终端设备。ZigBee網络包括一个协调器节点、多个路由器和多个终端设备[3]。

ZigBee设备类型及其功能描述见表1。

ZigBee网络主要有3种组网方式：星型网络、树型网络和网状网络，其拓扑结构如图2所示。星形拓扑是最简单的拓扑结构，由一个协调器和多个终端设备组成，但不包含路由器节点。数据不能进行多跳传输、数据能够传输的最大距离既是一个设备的无线通信距离。网状拓扑结构能提供多条路径，可靠性更高，但是设备不能休眠，功耗大；且设备几乎全是FFD，成本较高。相对而言，树形网络一方面可以提供较大的传输距离，另一方面终端节点使用时间长，同时成本相对不是太高。所以在实际运用中根据实际情况选择合适的网络拓扑结构[3]。

2.3 ZigBee网络的实现

一个完整的ZigBee网络建立需要两个步骤：网络初始化；节点加入网络。其中节点加入网络又包括两个步骤：通过协调器连接入网；通过已有主节点入网。ZigBee网络的建立是由网络协调器发起的，任何一个ZigBee节点要组建一个网络必须满足以下两点要求：节点是FFD节点，具备ZigBee协调器的能力；节电还没有与其他网络连接，当节点已经与其他网络连接时，此节点只能作为该网络中的子节点，因为一个ZigBee网络中只能有一个网络协调器。图3是ZigBee网络建立过程[4][5]。

3 ZigBee技术应用

3.1 ZigBee技术应用概述

ZigBee技术有效的填补了低功耗、低成本和低速率无线通信市场的空缺，而其能取得广泛应用的关键不在于ZigBee技术本身，而在于丰富而便捷的应用。ZigBee技术目前还没有取得类似传统计算机网络技术的核心应用（如互联网的TCP/IP网络，WIFI与无线接入互联网，移动数据接入网络3G/4G等），其在应用设计和实现、通信协议、路由算法和市场推广等方面还需要研究[6]。

ZigBee网络具有体积小、低功耗、低成本、低速率、近距离、时延高、高安全以及频段免执照等特点，能够用在蓝牙、WIFI、超宽带（UWB）、手机及其他无线技术不能覆盖的大部分应用领域。以下是ZigBee在不同领域的应用。

工业监测：如对油气生产、运输和勘测进行管理，对工业设备之间进行数据采集和监控。

公共场所：烟雾探测器、空气质量（如PM2.5）检测等。

家庭和楼宇网络：监控水电气计量、自动控制照明和门禁系统控制等。

农业控制：农业机械、土壤PH值、农田环境等监控。

3.2 ZigBee技术典型应用：智能家居

基于ZigBee技术的智能家居系统的结构如图4所示，家庭网关和若干个ZigBee传感器节点模块组成星形结构的家庭传感器网络。其中，家庭网关是FFD，由它建立ZigBee无线网络，掌管系统的正常运行，智能家居网关主要实现以下功能：完成家居内部各传感器节点之间的通信，并对各节点进行控制；实现内部网络与外部TCP/IP网络的互连。当用户想要远程获得内部网络的信息时，就可以通过智能手机或 PC 机登录家居网关的 WEB 服务器进行相应的查询。

其他的ZigBee子节点模块是RFD设备用来完成数据采集、状态响应、控制设备等。物理接口是网络的信息管理的核心部分，作为家庭网关和传感器节点之间的桥梁，物理层接口完成家庭网关的和传感器节点间通信，并且能使家庭网关和传感器节点之间能够相互理解通信的内容，但是终端节点只能与网关之间进行通信，互相不能进行通信。

4 ZigBee网络的发展趋势

ZigBee无线传感器网络和现有的网络的融合将带来全新应用。如，ZigBee无线传感器与Internet、移动通信网的融合，一方面使ZigBee无线传感器通过传统的网络进行数据传输，另一方面传统网络可以利用传感信息实现应用的创新。另外，将ZigBee无线传感器作为信息采集的基础设施融合进网络体系，构建一种全新的基于ZigBee无线传感器的网络体系。无线传感器网络专注于探测和收集环境信息；复杂的数据处理和存储等服务交给网络来完成，将为大型的军事应用、环境监测、工业生产等应用领域提供一个集成数据感知、密集处理和海量存储为一体的强大的操作平台。

参考文献：

[1] 江華丽，王平. 基于ZigBee应用技术研究与设计[J]. 计算机系统应用，2016，25（2）：272-277.

[2] ZigBee Technical Overview， ZigBee Allience， May， 2007.

[3] 柴远波，赵春雨. 短距离无线通信技术及应用[M]. 北京：电子工业出版社，2015.

[4] 杜军朝，刘惠. ZigBee技术原理与实战[M]. 北京：机械工业出版社，2015.

[5] 张庆海.基于无线通信网络融合的智能家居系统研究[J]. 电视技术，2013 （2） ： 92-95.

[6] 柴远波，陈万里.无线通信网络超低耗技术[M].北京：电子工业出版社，2015.