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浅析Zigbee技术及其应用

作者: 发布时间:2020-01-21 15:23:29 阅读: 56 次

摘要: Zigbee是一种新兴的专为低速率无线个域网(LR-WPAN)而设计的低成本、低功耗的短距离无线通信协议,能够广泛的应用于军事、工业、智能家居等领域。但由于Zigbee技术出现较晚,其规范及应用仍在不断的完善和发展之中。本文主要介绍了Zigbee技术的基本原理及其相关协议,阐述了Zigbee技术的发展趋势及其优缺点,并提出了一些适用于Zigbee技术的应用方向。

 

关键字:Zigbee

 

一、Zigbee技术简介

Zigbee在中国被译为"紫蜂",是一种基于IEEE802.15.4协议的最近发展起来的一种短距离无线通信技术,功耗低,被认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,在整个网络范围内,每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信,每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。其主要技术优缺点:(1) 数据传输可靠;(2) 功耗低 ;(3) 成本低 ;(4) 网络容量大; (5) 安全可靠 ;(6) 有效范围小 (7) 兼容性强。

 

二、Zigbee协议栈结构

Zigbee协议栈标准采用的是OSI的分层结构,其中物理层(PHY)、媒体接入层(MAC)和链路层(LLC)IEEE802.15.4工作小组制定,而网络层和应用层则由Zigbee联盟制定。Zigbee协议栈的体系结构各层的分布如图1所示。

 

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1Zigbee协议栈体系结构

Zigbee协议栈中,其结构包含一系列的层,每一层通过使用下层提供的服务完成自己的功能,同时向上层提供服务。层与层之间通过服务访问点SAP(Service Access Point)连接,每一层都可以通过本层与其下层相连的SAP调用下层为本层提供服务,同时通过本层与上层相连的SAP为上层提供服务。这些服务是设备中的实体通过发送服务原语来实现的,其中实体包括数据实体(Data-EntityDE)和管理实体(Management EntityME)两种:数据实体向上层提供常规的数据服务而管理实体提供向上层提供访问数据内部层的参数、配置和管理数据等机制。

 

三、Zigbee网络拓扑结构

Zigbee协议标准中定义了三种网络拓扑形式,分别为星形拓扑、树形拓扑和网状拓扑。

星形网络是三种拓扑结构中最简单的,因为星形网络没用到Zigbee协议栈,只要用802.15.4的层就可以实现。网络由一个协调器和一系列的FFDRFD构成,节点之间的数据传输都要通过协调器转发。节点之间的数据路由只有的一个路径,没有可选择的路径,假如发生链路中断时,那么发生链路中断的节点之间的数据通信也将中断,此外协调器很可能成为整个网络的瓶颈。

在树形网络中,FFD节点都可以包含自己的子节点,而RFD则不行,只能作为FFD的子节点,在树形拓扑结构中,每一个节点都只能和他的父节点和子节点之间通信,也就是说,当从一个节点向另一个节点发送数据时,信息将沿着树的路径向上传递到最近的协调器节点然后再向下传递到目标节点。这种拓扑方式的缺点就是信息只有的路由通道,信息的路由过程完成是由网络层处理,对于应用层是完全透明的。

网状网络除了允许父节点和子节点之间的通信,也允许通信范围之内具有路由能力的非父子关系的邻居节点之间进行通信,它是树形网络基础上实现的,与树形网络不同的是,网状网络是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构,其路由可自动建立和维护,并且具有强大的自组织、自愈功能,网络可以通过“多级跳”的方式来通信,可以组成极为复杂的网络,具有很大的路由深度和网络节点规模。该拓扑结构的优点是减少了消息延时,增强了可靠性,缺点是需要更多的存储空间的开销。

 

四、Zigbee技术的应用

由于本人从事的是安防行业,因此下面简单介绍下Zigbee技术在安防领域的应用方式。

1、楼宇自动化指纹锁系统

安装在楼宇内的每个家庭住户的电子门锁系统,传统控制方式采用有线总线结构网络,通过安装在楼道的总线结构控制不同楼层住户的指纹门锁。但由于房间较多,人工布线繁琐,使得系统的安装、维护、扩展不易进行。

电子锁系统的特点是需要控制的房间数目比较多,但终端设备的数据传输量不大,功耗和体积要求比较高。Zigbee无线通信技术能很好的满足了这些要求,同时能够减少大量的人工布线,提高系统的可扩展性,便于后续维护,方便电子锁系统的普及和推广。

2、家用安防系统

家用安防的着重点,主要包括两个方面,一方面是人为引起的破坏,如设施安装不合理、盗窃、抢劫,另一方面是自然灾害引起的破坏,如火灾、煤气泄漏。

因此,人们迫切需要一种智能型的家用安全防范报警系统,能可靠的进行日常安全防范和报警,以便快速处理险情,保障人民生命财产少受损失。于是,有关家庭、办公室和仓库等处的安全防范和自动报警系统的开发研制工作日益被科研单位和生产厂家所重视。

Zigbee网络的部署同前面所述的楼宇自动化指纹锁系统,每个楼层或者每栋楼构成一个Zigbee网络,各种传感器信息通过该网络传递至主节点;主节点之间与中控室通过以太网连接,这样既结合了Zigbee网络成本低、功耗小、易部署、便于维护的特点,又保证了远程的报警监控。

 

五、小结

Zigbee低成本、低功耗和易部署的技术特点为它的应用和推广打下良好基础,使其在广阔的无线替代有线市场找到了属于自己的独特发展空间,Zigbee在针对日常生活的各种应用中有着广泛的应用前景。由于Zigbee的传输能力有限、功率比较低、不能传输很远的距离,这就使得它的应用领域更多地遵从“Zigbee网路+其他网络”的部署模式,两个网络通过网关完成Zigbee协议和其他网络协议之间的报文格式转换。

Zigbee网络主要适用于短距离、低功耗、安装固定网络比较复杂的通信场合。在楼宇及家用安防等领域有着广泛的应用前景。无线传感器网络中的传感器节点将会在未来数年内以数十亿的速度增长,这些数量庞大的传感器节点将会用Zigbee 技术连接起来,而这些传感器网络将会和现有的Internet 通过IPv6 相连接,达到远程控制的目的,因此相信Zigbee技术应用前景十分光明。

 

 

 

参考文献:

[1] Zigbee技术实践教程》,高守玮,北京航空航天大学出版社

[2] Zigbee技术及应用》,瞿雷 刘盛德 胡咸斌,北京航空航天大学出版社