胡亞楠

(鶴壁職業(yè)技術學院 機電工程學院，河南 鶴壁 458030)

ZigBee技術在物聯(lián)網中的研究應用

胡亞楠

(鶴壁職業(yè)技術學院 機電工程學院，河南 鶴壁 458030)

信息技術和互聯(lián)網的成熟，促進了物聯(lián)網的發(fā)展，在物聯(lián)網中RFID主要用來實現目標定位，而物體間的信息傳輸則通過ZigBee來完成?；贗EEE802.15.4標準的ZigBee技術作為一種短距離、低功耗的無線傳感器網絡技術，廣泛應用在物聯(lián)網領域。文章分析了ZigBee的技術特點和網絡構成及其與物聯(lián)網應用的關系。

ZigBee；RFID；物聯(lián)網；無線傳感網絡

1 概述

物聯(lián)網這一概念是1999年麻省理工學院Ashton教授提出的，是在信息技術和互聯(lián)網的基礎上，利用射頻識別、傳感器網絡、無線通信等技術，構造一個連接萬事萬物的信息網絡“Internet of Things”[1]。

在物聯(lián)網中，RFID用來標識物體，實現目標定位，而目標物體間的信息傳輸則通過ZigBee來完成。ZigBee技術以其低功耗、低數據傳輸速率等特點，得到廣泛應用，是物聯(lián)網中主要技術之一。

2 物聯(lián)網組成及原理

近年來，信息技術快速發(fā)展，人們對通信的需求正朝著更加多樣化、智能化、個性化的方向發(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，在這大潮流的驅動下，物聯(lián)網應運而生，成為信息技術發(fā)展的新趨勢。

物聯(lián)網的核心思想是利用物理進程與計算進程的實時交互[2]，使網絡延伸到物體之上，可以實現對物理系統(tǒng)的實時跟蹤。

2.1 物聯(lián)網概述

物聯(lián)網是在互聯(lián)網基礎上通過射頻識別、激光掃描器、紅外感應器、GPS等設備，按約定的協(xié)議，把安裝了電子標簽的物體與互聯(lián)網連接起來，實現對物體的自動識別和互聯(lián)共享的一種網絡。

2.2 物聯(lián)網的組成

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

感知層，又叫射頻識別RFID系統(tǒng)，利用射頻識別、傳感器、智能卡等工具，將物體的各種參數讀取出來，并將其傳遞給通信網絡；網絡層，即通信層，負責物聯(lián)網中的信息的傳輸，通過電纜、光纜、電磁波等信道在網絡中傳遞物體的數據信息，目前所使用的移動通信、互聯(lián)網技術已經十分成熟，大大滿足了物聯(lián)網對信息傳遞的需求；應用層，從網絡層獲取感知層采集到的數據信息，并將信息傳輸到數據中心，對數據進行分析、處理，并開發(fā)各種應用軟件，實現不同的應用和服務，滿足多種用戶需求。

2.3 物聯(lián)網的原理

物聯(lián)網的核心思想是通過RFID、無線通信等技術、對象名解析和實體標記語言服務器，對物體信息進行控制管理，從而實現全球物體信息實時共享[3]。

物聯(lián)網的精髓是感知，感知物與物之間的信息傳遞，通過對采集到的數據信息協(xié)同處理、智能組網、信息服務，達到控制指揮物體的目的；通信網是信息傳輸的網絡，是人與人的相互連接；而物聯(lián)網是連接現實人與物、物與物的網絡。

2.4 物聯(lián)網中的關鍵技術

在整個物聯(lián)網體系中，RFID是基礎，RFID技術有非接觸性、耐久性、穿透力強等諸多優(yōu)點，但其識別距離短，設備成本高成為RFID技術的致命傷，而ZigBee 技術的缺點則是穿透性差，若能將RFID技術與ZigBee技術集合起來，實現兩者的優(yōu)勢互補，則對構建理想的物聯(lián)網具有重要意義。

2.5 物聯(lián)網的應用

物聯(lián)網已廣泛應用于智能交通、環(huán)境保護、公共安全、智能家居、環(huán)境監(jiān)測、敵情偵查和情報搜集等多個領域[4]。

在物聯(lián)網體系中，感知層的關鍵技術是RFID射頻識別，網絡層的關鍵技術是ZigBee。ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數據速率、低成本、低復雜度的無線網絡技術，在物聯(lián)網領域有很大發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 ZigBee技術

3.1 ZigBee技術的發(fā)展

ZigBee，又稱紫蜂協(xié)議，這一詞是由蜜蜂(bee)和抖動翅膀的“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成了群體中的通信網絡[3]。

ZigBee聯(lián)盟成立以來，致力開發(fā)無線傳感器網絡標準。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標準的低功耗局域網協(xié)議，規(guī)定了用戶傳輸信息過程中的距離、能耗等指標,營造了安全穩(wěn)定的網絡運行環(huán)境。

3.2 ZigBee技術的特點

ZigBee本質上是一種可靠性高的短程無線通信網絡，與GSM網絡和CDMA網絡類似，ZigBee中的模塊則類似于移動網絡中的基站，因此理論上ZigBee可覆蓋的通訊面積能無限擴展。

ZigBee具有低功耗、低成本、低速率、支持大量節(jié)點、支持多種網絡拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全的特點，并且可以為用戶提供便捷的無線數據傳輸功能，因此在物聯(lián)網領域得到廣泛的應用。

3.3 ZigBee技術的協(xié)議架構

ZigBee協(xié)議框架包含了物理層、MAC層、網絡層和應用層。其中，IEEE802.15.4定義了物理層和MAC層，ZigBee聯(lián)盟定義了網絡層和應用層。物理層提供傳輸介質的接口，并通過天線收發(fā)數據；MAC層：即介質訪問層，負責提供ZigBee的網絡號，打包、分解數據包和幀，為相鄰的節(jié)點間提供可靠的數據通信，提高通信效率，減少差錯率；網絡層的核心功能是處理網絡地址和路由，并提供安全管理、路由管理、網絡管理等功能；應用層包含應用支持子層APS和ZigBee設備對象層ZDO，主要為用戶提供API函數和提供網絡管理方面的函數[4]。ZigBee網絡由一個協(xié)調器及多個路由器和終端設備組成。

4 ZigBee與物聯(lián)網的關系

ZigBee聯(lián)盟的初衷是為了開發(fā)基于無線傳感器網絡的開放標準。當時的想法是希望將傳感器和控制器以簡單的方式和較低的費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行連接并交換信息。這些設備可以基于ZigBee標準進行開發(fā)設計和測試認證，從而保證設備間的互通性，提供更高的舒適度、方便性、效率及安全[5]。

物聯(lián)網中的傳感器在布局的時候，如果采用傳統(tǒng)CDMA或GSM移動網絡，會出現運營費用高、規(guī)模大、短距離傳輸需求高的現象，這是急待解決的問題，而ZigBee正是解決這一問題的途徑。傳感器要把數據發(fā)送給主機，可以通過ZigBee來實現，因其具有智能、方便、易建設、低成本、低功耗和免費使用等特點，特別適合作為物聯(lián)網中傳感網的通信方式。

5 ZigBee技術在物聯(lián)網領域的典型應用

與射頻識別技術相比，ZigBee技術最明顯的優(yōu)勢是功耗低；其次ZigBee技術的傳輸時延短 ，不僅節(jié)能，更能在短時間內傳輸大量數據信息；同時，ZigBee技術還提供高靈活性的三級安全模式，保證了通信網絡的安全性。以上優(yōu)勢，使ZigBee技術得以在物聯(lián)網領域嶄露頭角。

在物聯(lián)網中ZigBee技術的應用主要體現在三方面，一是無線傳感網絡，主要包括傳感器、RFID等，主要實現對物的識別；二是傳輸網絡，主要通過互聯(lián)網、通信網等媒介實現數據的計算、傳輸、存儲；三是應用網絡，主要是輸入輸出控制終端[5]。

在物聯(lián)網時代，各種‘物’對網絡的要求不盡相同：多媒體設備側重數據傳輸速率和服務質量，家電設備側重傳輸控制指令的安全性，ZigBee技術恰好能滿足這些要求。ZigBee技術以其多種優(yōu)勢應用于數字家庭、智能交通、汽車、農業(yè)自動化等多種領域。

6 結束語

隨著物聯(lián)網技術的日益成熟，ZigBee技術以其不可比擬的優(yōu)越性在物聯(lián)的應用中具有長遠的意義和廣闊的前景。ZigBee作為一種新的系統(tǒng)集成技術，應用軟件的開發(fā)必須和網絡傳輸，射頻技術和底層軟硬件控制技術結合在一起，這方面的應用將會得到廣泛關注。

[1] 封瑜，葛萬成.基于ZigBee技術的無線傳感器網絡構建與應用[J].電子工程師,2007(3)：21-23.

[2] 夏益民，梅順良，江億.基于ZigBee的無線傳感器網絡[J].微計算機信息,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.ZigBee技術實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社,2007.

[5] 馬駒.ZigBee在物聯(lián)網中的應用[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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