胡亞楠

(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鶴壁 458030)

ZigBee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的研究應(yīng)用

胡亞楠

(鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鶴壁 458030)

信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的成熟，促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在物聯(lián)網(wǎng)中RFID主要用來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位，而物體間的信息傳輸則通過ZigBee來完成?；贗EEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee技術(shù)作為一種短距離、低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，廣泛應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。文章分析了ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成及其與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)系。

ZigBee；RFID；物聯(lián)網(wǎng)；無線傳感網(wǎng)絡(luò)

1 概述

物聯(lián)網(wǎng)這一概念是1999年麻省理工學(xué)院Ashton教授提出的，是在信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用射頻識(shí)別、傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線通信等技術(shù)，構(gòu)造一個(gè)連接萬(wàn)事萬(wàn)物的信息網(wǎng)絡(luò)“Internet of Things”[1]。

在物聯(lián)網(wǎng)中，RFID用來標(biāo)識(shí)物體，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位，而目標(biāo)物體間的信息傳輸則通過ZigBee來完成。ZigBee技術(shù)以其低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率等特點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用，是物聯(lián)網(wǎng)中主要技術(shù)之一。

2 物聯(lián)網(wǎng)組成及原理

近年來，信息技術(shù)快速發(fā)展，人們對(duì)通信的需求正朝著更加多樣化、智能化、個(gè)性化的方向發(fā)展，希望打破傳統(tǒng)的人與人的通信，使人與物之間也能通信自如，在這大潮流的驅(qū)動(dòng)下，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，成為信息技術(shù)發(fā)展的新趨勢(shì)。

物聯(lián)網(wǎng)的核心思想是利用物理進(jìn)程與計(jì)算進(jìn)程的實(shí)時(shí)交互[2]，使網(wǎng)絡(luò)延伸到物體之上，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)跟蹤。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上通過射頻識(shí)別、激光掃描器、紅外感應(yīng)器、GPS等設(shè)備，按約定的協(xié)議，把安裝了電子標(biāo)簽的物體與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的自動(dòng)識(shí)別和互聯(lián)共享的一種網(wǎng)絡(luò)。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)的組成

在不同的應(yīng)用系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)的組成各不相同，涉及多種技術(shù)，但基本的物聯(lián)網(wǎng)體系都是由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三部分組成的[2]。

感知層，又叫射頻識(shí)別RFID系統(tǒng)，利用射頻識(shí)別、傳感器、智能卡等工具，將物體的各種參數(shù)讀取出來，并將其傳遞給通信網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)層，即通信層，負(fù)責(zé)物聯(lián)網(wǎng)中的信息的傳輸，通過電纜、光纜、電磁波等信道在網(wǎng)絡(luò)中傳遞物體的數(shù)據(jù)信息，目前所使用的移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，大大滿足了物聯(lián)網(wǎng)對(duì)信息傳遞的需求；應(yīng)用層，從網(wǎng)絡(luò)層獲取感知層采集到的數(shù)據(jù)信息，并將信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并開發(fā)各種應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用和服務(wù)，滿足多種用戶需求。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)的原理

物聯(lián)網(wǎng)的核心思想是通過RFID、無線通信等技術(shù)、對(duì)象名解析和實(shí)體標(biāo)記語(yǔ)言服務(wù)器，對(duì)物體信息進(jìn)行控制管理，從而實(shí)現(xiàn)全球物體信息實(shí)時(shí)共享[3]。

物聯(lián)網(wǎng)的精髓是感知，感知物與物之間的信息傳遞，通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息協(xié)同處理、智能組網(wǎng)、信息服務(wù)，達(dá)到控制指揮物體的目的；通信網(wǎng)是信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，是人與人的相互連接；而物聯(lián)網(wǎng)是連接現(xiàn)實(shí)人與物、物與物的網(wǎng)絡(luò)。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵技術(shù)

在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系中，RFID是基礎(chǔ)，RFID技術(shù)有非接觸性、耐久性、穿透力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，但其識(shí)別距離短，設(shè)備成本高成為RFID技術(shù)的致命傷，而ZigBee 技術(shù)的缺點(diǎn)則是穿透性差，若能將RFID技術(shù)與ZigBee技術(shù)集合起來，實(shí)現(xiàn)兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，則對(duì)構(gòu)建理想的物聯(lián)網(wǎng)具有重要意義。

2.5 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)已廣泛應(yīng)用于智能交通、環(huán)境保護(hù)、公共安全、智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)、敵情偵查和情報(bào)搜集等多個(gè)領(lǐng)域[4]。

在物聯(lián)網(wǎng)體系中，感知層的關(guān)鍵技術(shù)是RFID射頻識(shí)別，網(wǎng)絡(luò)層的關(guān)鍵技術(shù)是ZigBee。ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域有很大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 ZigBee技術(shù)

3.1 ZigBee技術(shù)的發(fā)展

ZigBee，又稱紫蜂協(xié)議，這一詞是由蜜蜂(bee)和抖動(dòng)翅膀的“嗡嗡”(zig)聲合成的， 蜜蜂用八字舞向同伴傳遞花粉的方位和距離信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)[3]。

ZigBee聯(lián)盟成立以來，致力開發(fā)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。完整的ZigBee是由ZigBee聯(lián)盟和IEEE802.15.4共同制定的一組基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，規(guī)定了用戶傳輸信息過程中的距離、能耗等指標(biāo),營(yíng)造了安全穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境。

3.2 ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)

ZigBee本質(zhì)上是一種可靠性高的短程無線通信網(wǎng)絡(luò)，與GSM網(wǎng)絡(luò)和CDMA網(wǎng)絡(luò)類似，ZigBee中的模塊則類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的基站，因此理論上ZigBee可覆蓋的通訊面積能無限擴(kuò)展。

ZigBee具有低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點(diǎn)、支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、低?fù)雜度、快速、可靠、安全的特點(diǎn)，并且可以為用戶提供便捷的無線數(shù)據(jù)傳輸功能，因此在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

3.3 ZigBee技術(shù)的協(xié)議架構(gòu)

ZigBee協(xié)議框架包含了物理層、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。其中，IEEE802.15.4定義了物理層和MAC層，ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。物理層提供傳輸介質(zhì)的接口，并通過天線收發(fā)數(shù)據(jù)；MAC層：即介質(zhì)訪問層，負(fù)責(zé)提供ZigBee的網(wǎng)絡(luò)號(hào)，打包、分解數(shù)據(jù)包和幀，為相鄰的節(jié)點(diǎn)間提供可靠的數(shù)據(jù)通信，提高通信效率，減少差錯(cuò)率；網(wǎng)絡(luò)層的核心功能是處理網(wǎng)絡(luò)地址和路由，并提供安全管理、路由管理、網(wǎng)絡(luò)管理等功能；應(yīng)用層包含應(yīng)用支持子層APS和ZigBee設(shè)備對(duì)象層ZDO，主要為用戶提供API函數(shù)和提供網(wǎng)絡(luò)管理方面的函數(shù)[4]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器及多個(gè)路由器和終端設(shè)備組成。

4 ZigBee與物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系

ZigBee聯(lián)盟的初衷是為了開發(fā)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開放標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)時(shí)的想法是希望將傳感器和控制器以簡(jiǎn)單的方式和較低的費(fèi)用集成到其他物體上，使這些物體可以基于各種目的而方便地進(jìn)行連接并交換信息。這些設(shè)備可以基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)和測(cè)試認(rèn)證，從而保證設(shè)備間的互通性，提供更高的舒適度、方便性、效率及安全[5]。

物聯(lián)網(wǎng)中的傳感器在布局的時(shí)候，如果采用傳統(tǒng)CDMA或GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，會(huì)出現(xiàn)運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高、規(guī)模大、短距離傳輸需求高的現(xiàn)象，這是急待解決的問題，而ZigBee正是解決這一問題的途徑。傳感器要把數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，可以通過ZigBee來實(shí)現(xiàn)，因其具有智能、方便、易建設(shè)、低成本、低功耗和免費(fèi)使用等特點(diǎn)，特別適合作為物聯(lián)網(wǎng)中傳感網(wǎng)的通信方式。

5 ZigBee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的典型應(yīng)用

與射頻識(shí)別技術(shù)相比，ZigBee技術(shù)最明顯的優(yōu)勢(shì)是功耗低；其次ZigBee技術(shù)的傳輸時(shí)延短 ，不僅節(jié)能，更能在短時(shí)間內(nèi)傳輸大量數(shù)據(jù)信息；同時(shí)，ZigBee技術(shù)還提供高靈活性的三級(jí)安全模式，保證了通信網(wǎng)絡(luò)的安全性。以上優(yōu)勢(shì)，使ZigBee技術(shù)得以在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域嶄露頭角。

在物聯(lián)網(wǎng)中ZigBee技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在三方面，一是無線傳感網(wǎng)絡(luò)，主要包括傳感器、RFID等，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)物的識(shí)別；二是傳輸網(wǎng)絡(luò)，主要通過互聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)等媒介實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算、傳輸、存儲(chǔ)；三是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，主要是輸入輸出控制終端[5]。

在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，各種‘物’對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求不盡相同：多媒體設(shè)備側(cè)重?cái)?shù)據(jù)傳輸速率和服務(wù)質(zhì)量，家電設(shè)備側(cè)重傳輸控制指令的安全性，ZigBee技術(shù)恰好能滿足這些要求。ZigBee技術(shù)以其多種優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于數(shù)字家庭、智能交通、汽車、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化等多種領(lǐng)域。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，ZigBee技術(shù)以其不可比擬的優(yōu)越性在物聯(lián)的應(yīng)用中具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的意義和廣闊的前景。ZigBee作為一種新的系統(tǒng)集成技術(shù)，應(yīng)用軟件的開發(fā)必須和網(wǎng)絡(luò)傳輸，射頻技術(shù)和底層軟硬件控制技術(shù)結(jié)合在一起，這方面的應(yīng)用將會(huì)得到廣泛關(guān)注。

[1] 封瑜，葛萬(wàn)成.基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與應(yīng)用[J].電子工程師,2007(3)：21-23.

[2] 夏益民，梅順良，江億.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(4)：129-130.

[3] IEEE 802.15.4[S/OL].[2016-10-10.] http: / /grouper.ieee.org/groups/.

[4] 高守瑋，燦陽(yáng).ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[5] 馬駒.ZigBee在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用[J].科協(xié)論壇,2011(2):34.

Research on Application of ZigBee Technology in Internet of Things

Hu Yanan

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,HebiPolytechnic,HebiHenan458030,China)

The maturity of information technology and the Internet promote the development of the Internet of Things. The RFID is mainly used to achieve the goal of positioning, and the transmission of information between objects should be completed through ZigBee. The ZigBee technology based on IEEE802.15.4 as a short-range, low-power wireless sensor network technology, is widely used in the field of things. This paper analyzes the technical characteristics and network structure of ZigBee and its relationship with the application of Internet of Things.

ZigBee; RFID; Internet of Things; wireless sensor network

2016-10-19

胡亞楠(1983- )，男，河南鶴壁人，高校講師，工程碩士，研究方向：通信工程、汽車電子。

1674- 4578(2016)06- 0040- 02

TP391

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