ZigBee技术及应用
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摘 要：zigbee是一种新兴的短距离、低功耗、低复杂度的无线网络技术；随着我国物联网正进入迅速发展期，ZigBee也正逐步被越来越多的用户接受，并且也已在部分智能传感器场景中进行了应用。它采用IETF的IPv6 6Lowpan标准作为新一代智能标准，致力于形成全球统一的、易于与互联网集成的网络，实现端到端的网络通信。
关 键 词：ZigBee、自组织网、应用前景
【分类号】：TP212.9；TN929.5
一、前言
基于IEEE802.11.4协议的一簇扩展集的ZigBee技术，是一种新兴的短距离、低功耗、低复杂度、高可靠的无线数传网络技术。随着我国物联网正进入迅速发展期，ZigBee也正逐步被越来越多的用户接受，它主要针对低传输速率、低功耗方向的射频应用，如室内环境的距离测量、无线开关控制照明以及小范围的消费电子产品等。
二、ZigBee技术简介
ZigBee是一个低成本、低功耗的无线网络标准，它的低成本使之能广泛用于无线监控方向的应用；它的低功耗使之能有更长的工作周期；它所支持的无线网状网络使之能有更强的可靠性和更广的覆盖范围。
ZigBee协议的物理层和MAC层直接采用的是IEEE802.11.4的标准，即物理层（PHY）采用直接序列展频（Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS）技术，以化整为零的方式将一个信号分为多个信号，再经由编码方式传送信号，避免干扰。在媒体访问控制层（MAC），主要是沿用IEEE802.11系列标准的CSMA/CA方式，以提高系统兼容性。ZigBee的高层协议则由ZigBee联盟所主导，定义了网络层（Network Layer）、安全层（Security Layer）、应用层（Application Layer）及各种应用产品的资料（Profile）。
ZigBee网络由可多到65000个无线数传模块组成一个无线数传网络平台，十分类似于现有的移动通信的CDMA或GSM网络。在整个网络范围内，每个ZigBee网络数传模块类似于移动网络基站，网络节点间可以相互通信，通讯距离从标准的75米可扩展到几百米甚至几千米，并且支持无限扩展。同时整个ZigBee网络还可与现有的其他网络进行相互连接和互相通信。但和CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为传输自动化控制数据而建立，而移动通信网CDMA网或GSM主要是为语音通信而建立；移动通信网的每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币，所以具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。另外每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。
三、ZigBee通信方式
ZigBee技术采用的自组织网状网进行通信，网状网通信实际上就是多通道通信，在这个网络中相当于每人持有一个ZigBee网络模块终端，只要他们在彼此的网络模块的范围内通信，通过动态路由彼此自动寻找，迅速形成一个互联互通的ZigBee网络。并且，即使人员移动，网络模块终端还能够通过对原有网络进行刷新重新寻找通信对象，确定彼此间的联络。
在自组织网络中采用的是动态路由。所谓动态路由是指在网络中传输数据之前，传输的路径并未预先设定好，而是通过对网络在当时可搜索、利用的所有路径进行选择，分析所有路径的位置关系以及远近，最后选择其中的一条路径进行数据传输。而在网络管理软件中，路由路径的选择使用的是“梯度法”，也就是说先选择最近的一条路径通道进行数据传输，如果传不通再选择另外一条较远的路径进行数据传输，以此类推，直到数据送达目的地为止。因为在实际传送过程中，预先设定好的路由路径可能会随时发生变化，或者因为各种原因被中断，或者过于繁忙而不能进行及时传送。所以使用动态路由再结合网状拓扑结构，从而保证数据的可靠传输，这样就能解决自组织网的通信问题。
四、ZigBee在物联网中的应用
物联网（Internet of Things） 是一个基于互联网、传统电信网等信息承载体，通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。在互联网基础上延伸和扩展，让所有能够被独立寻址的普通物理对象实现互联互通。它具有普通对象设备化、自治终端互联化和普适服务智能化3个重要特征。
因此物联网的应用有三个层次，一是传感网络，即以二维码、RFID、传感器为主，实现“物”的识别；二是传输网络，即通过现有的Internet、广电网、通信网或下一代Internet实现数据的传输和计算；三是应用网络，即输入/输出控制终端，包括手机等终端。
ZigBee读写器具有短距离、多点、多跳优势的无线通讯产品，能够增加无线通讯能力。产品有效识别距离1500米，最高识别速度可达200公里/时，同时可识别 200 张标签。其性能稳定、工作可靠，信号传输能力强，使用寿命长。该设备已经广泛应用于门禁、考勤、会议签到、及高速公路、油站、停车场、公交等收费系统等各种领域。还具有防水、防雷、防冲击，满足工业环境要求等优势。
ZigBee与物联网二者在很多领域有着密切的结合，例如停车场车辆免伸手出入控制、煤矿井下人员定位管理系统、驾校考试系统、机动车电子牌照自动识别系统、高速公路ETC电子收费系统、公交车进出站“标杆”自动管理系统、家校通学生出入校平安短信系统等。
以ZigBee在智能停车管理系统中的应用为例：一般大型停车场可分为四个部分：入口管理系统、停车泊位及防盗报警系统、出口收费管理系统、中心管理系统。当车辆进入停车场感应区时，在距离10～15m时，由协调器发送信号，激活处于休眠状态的ZigBee识别标签（车载路由节点）。识别标签自动连接到协调器，并向协调器发送芯片内部存储的车辆相关信息。由协调器将读出的信息通过ZigBee无线网络传输到控制台。确认进行后，控制台根据现有车位安排停车位置，从起始位置开始，经ZigBee识别标签与路由节点及协调器通信，确定行驶路径，途经中间位置，最后到达限位位置（停车位置）。停车结束后，也同样经由同样方式出停车场，根据时间计费，然后使得ZigBee识别标签休眠，完成整个过程。而中心管理系统在线监控停车场进出日期、收费及停车场内部所有车辆安全状况，处理并记录停车场内部的各种安全事件。
参考文献：
[1] 薛晓明，移动通信技术，北京理工大学出版社，2010
[2] 冯玉珉，通信系统原理，清华大学出版社，2007
[3] 刘正华，现代通信与网络工程实用教程，2012