王琳煜 郭创建

摘  要：随着时代的进步，传统的人工近距离控制、检测和采样的方式，已经无法满足时代的需求，而物联网已经成为未来发展的趋势，智能化、自动化在未来将为管理和生活带来更多的便利性。在物联网IoT盛行的年代，无线通信技术将起着关键的作用，它将可以解决远程控制、远程监测和采集的问题。其中，ZigBee技术将承担不可替代的角色，同时也面临着BLE、Wi-Fi、Thread等技术的挑战。本文将从ZigBee的5大特点出发，对比ZigBee和其他的无线通信技术各项性能和指标，剖析ZigBee的优点及作用，并且对ZigBee技术的应用场景进行探究。

关键词：物联网;无线通信技术;ZigBee技术特点

中图分类号：TN929.5      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）15-0195-02

Brief Analysis of Application Prospect of ZigBee

WANG Linyu1，GUO Chuangjian2

（1.ZLG Technology Corp.，Ltd.，Guangzhou  510660，China;

2.Guangzhou Zhiyuan Electronics Co.，Ltd.，Guangzhou  510660，China）

Abstract：With the progress of the times，the traditional manual proximity control，manual proximity detection，sampling，has not been able to meet the needs of the times，and the internet of things has become the trend of future development，intelligent，automatic in the future will bring more convenience for management，life. In the era of internet of things （IoT），wireless communication technology will play a key role，which can solve the problems of remote control，remote monitoring and collection，among which ZigBee technology will play an irreplaceable role，and also face challenges from BLE，Wi-Fi，Thread and other technologies. Starting from the five characteristics of ZigBee，this paper compares the performance and indicators of ZigBee and other wireless communication technologies，analyzes the advantages and effects of ZigBee，and explores the application scenarios of ZigBee technology.

Keywords：internet of things;wireless communication technology;ZigBee technology features

0  引  言

物聯网是集成度极高、整合性强的新生信息技术，它将产生新的产业变革，将对城市的智能化、低能耗等发展方向，起着至关重要的作用，且具有可持续发展的重要意义。世界各国各地均在积极参与布局，特别是美国、欧盟、日本等发达国家及地区，他们高度重视物联网的发展，打算在未来的国际经济科技竞争中占据主动权。近些年来，中国也不断地推出政策，如《物联网“十二五”发展规划》《关于推进物联网有序健康发展的指导意见》等，来系统性地规划和考虑物联网的发展和目标。在对于物联网的规划中，无线通信技术将是重要的组成部分，其中ZigBee无线通信技术也将承担着不可替代的作用。在规划中，很多规模庞大的场景功耗要求严苛，可靠性和安全性要求都较高，很多无线通信技术并不能满足这些要求，但ZigBee所具备的5大特点，却均符合这些场景的要求。

1  ZigBee5大特点

1.1  超低功耗

由于ZigBee技术的无线传输速率在20～250kbit/s（8 68MHz下为20kbit/s、915MHz下为40kbit/s、2.4GHz下为250kbit/s）属于较低的通信速率，物理层单次发送的最大数据长度只有127字节，因此信号的收发时间很短。另外，ZigBee定义了睡眠终端节点，该节点如果在休眠时，其射频接收会处于关闭状态，只有当发送后等待应答及请求数据时才会打开，在非工作时会立即进入睡眠模式。

如Silicon Labs推出的EFR32系列的ZigBee芯片，其接收电流只有10.2mA，而发射电流在0dBm下为8.5mA，睡眠模式EM2等级下只有2μA。由于ZigBee收发功耗较低所需的工作时间也很短，使得节点非常省电。在工作时间t1/（工作时间t1+休眠时间t2）<1%的情况下，若使用2节5号电池，其节点的续航能力可以超过5年。

1.2  高可靠性

ZigBee采用了CSMA/CA，即冲突避免机制，编码方式上使用了直序扩频通信方式（DSSS），该方式可以有很强的抗干扰能力，同时在带宽划分上预留了一定的间隙，可以有效地避免数据发送时产生的冲突和相互竞争。另外，ZigBee MAC层还采用了确认应答机制，每一帧数据发送后均需要收到确认应答信息，如果没有收到应答信息则表示发生了数据丢失或产生了冲突，将会重传一次。采用这种方法可以提高数据传输的可靠性。

1.3  高安全性

ZigBee提供了3种安全模式。第一种方式为无密钥设定，对于某种特殊的、不需要较高安全性的或是有其他安全保护的措施的应用，便可以使用该方式;第二种方式为使用接入控制清单（ACL）防止通过非法的方式获取数据;第三种方式为采用高级加密标准（AES128）的对称加密算法，AES128的严密程度相当于银行卡加密技术的12倍，可以有效地防止冒充合法用户。用户可以根据自身的应用场合灵活地设置所需的安全属性。ZigBee的帧结构中要求需要利用循环冗余校验（CRC）对数据包的完整性进行校验和检查，并且在组网过程中支持对即将加入的节点进行鉴权和认证。

1.4  组网能力强

ZigBee拥有3种拓扑结构。第一种是星形网络结构;第二种是树形网络结构;第三种是网状网络结构。从理论上讲，整个ZigBee的组网规模可达65535个节点，但实际中由于环境干扰、设备自身处理能力等问题，一般节点数只能达到500个。并且支持自组网，可快速地加入网络或者重新加入网络，无需进行同步操作，当节点故障后，网络内可以自行恢复通信状态。

1.5  低成本

ZigBee芯片相比其他2.4GHz无线通信器件价格是很低的，并且现在各大芯片厂商均有生产发射功率达到19.5dBm的芯片，这可以大大降低外围PA等器件的成本。并且ZigBee的协议栈可在低RAM上运行并且所需FLASH空间较小，可以大幅降低外围MCU的成本，而且ZigBee的协议专利免费。

2  无线通信技术的对比

现在应用较为广泛的无线通信技术有以下几种：Wi-Fi无线通信技术、蓝牙BLE无线通信技术、ZigBee无线通信技术。3种无线通信技术之间具体的对比信息如表1所示。

在传输速率方面，ZigBee适合传输速率要求并不快且其传输的数据量并不大的应用場景，可于用场景中的发送控制命令、采集上报以及报警信息等。由于ZigBee具有自组网以及网络容量大的特点，具有在实际使用中非常容易扩展，添加或移除一个设备操作及其简单的优点。

由此我们可以得出ZigBee具有传输距离远、网络节点数量多、扩展性强、使用复杂度低、使用成本低、续航能力强这6个显著特点，这些特点在不同的使用场景下，会有非常显著的优势。

3  ZigBee应用场景

3.1  工业场景

在工业自动化领域，由于ZigBee的抗干扰能力、可靠性及安全性都很高，并且功耗极低，非常适合用于与传感器搭配，组建数据自动采集系统以及远程遥控系统，这将使得数据分析、处理和远程控制变得更加容易，使其可以作为决策和辅助系统的重要组成部分。例如可以将ZigBee运用于以下系统中：码头货运调度系统、远程抄表系统、水质监控系统、城市路灯测控系统等。这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新，但又需要较高的数据可靠性且对低功耗有极高的要求，这一类系统使用ZigBee将是非常合适的。

3.2  商用场景

在智能建筑领域，如写字楼或者商场，需要进行设备的控制及故障检测、信息提醒等，这将使得管理及维护更加简单、快捷，但这些场合都有一个共性，便是规模比较庞大，所需的节点数量多，对于安全性的要求也比较高，而ZigBee的容量大、安全性高的特点刚好满足其要求。例如可以将ZigBee运用于以下系统中：智能监狱无线管理系统、酒店管理系统、点阵信息提醒系统等。这些应用不需要经常移动放置地点，规模比较庞大，需要非常容易地进行组网、加网并且安全要求高，这一类系统使用ZigBee将是非常合适的。

3.3  家庭场景

在家庭智能化领域，由于需要方便用户扩展，因此扩展性需求较高，所需的节点数量比较多，并且其使用复杂度需要很低，同时有些产品功耗需要很低，电池几年一换，刚好ZigBee可以满足这一系列的条件。例如可以将ZigBee运用于以下系统中：窗帘智能控制系统、门磁系统、红外烟雾检测系统、家庭照明控制系统等。这些应用场景大多需要可扩展性强，节点数量多，并且非常容易使用，这一类系统使用ZigBee将是非常合适的。

4  结  论

物联网的时代将向着工业自动化、建筑智能化、家庭智能化全面发展，对于这些场合的能耗、可靠性、安全性、组网容量、成本都有较高的要求，而ZigBee的5大特点刚好满足这些场合的需求，并且ZigBee凭借其所具备的这5大特点，在众多无线技术中表现得非常出色，有着不可替代的作用，相信ZigBee无线通信技术在物联网时代将会有非常庞大的市场需求。

参考文献：

[1] 吕治安.ZigBee网络原理与应用开发 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[2] 无线龙.ZigBee无线网络原理 [M].北京：冶金工业出版社，2011.

[3] 蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用 [M].北京：北京邮电大学出版社，2006.

作者简介：王琳煜（1992-），男，汉族，广东汕头人，嵌入式软件工程师，本科，研究方向：通信技术及应用;郭创建（1991-），男，汉族，广东汕头人，嵌入式软件工程师，本科，研究方向：通信技术及应用。