ZigBee技术在物联网中的应用

ZigBee技术在物联网中的应用 摘要：无所不在的物联网通信时代即将来临，本文初步认识了物联网及ZigBee，并总结了ZigBee的特点。社会生活许多领域中均有ZigBee技术在物联网中的应用，结合矿工生命保障中的实际应用举例来具体描述其在物联网中的应用。 关键词：ZigBee  物联网  无线传输  应用 1. 前言 1.1. 物联网的概念 1999年，美国麻省理工Auto-ID实验室提出物联网概念，即“The Internet Of Things”，把所有物品通过频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。物体与互联网等各类网络相连，获取无处不在的现实世界的信息，使“物”之间能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。从本质上看，物联网是架构在网络上的一种联网应用和通信的能力。 1.2. 物联网的发展现状 物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。对世界经济、政治、军事、文化等各个方面产生巨大的影响。从国际上看，美国、日本、韩国、欧盟等国家和地区都十分重视物联网的工作，并且已做了大量研究开发和应用工作。2009年8月，温家宝总理在江苏无锡考察时发关于“感知中国”的讲话后，物联网正式进入大众眼球，中国正在强抓机遇，大力发展物联网技术。现在我国在某些感应技术方面仍然处于世界领先水平。 2. 物联网的架构 物联网不是对现有技术的颠覆性革命，而是通过对现有技术的综合运用，实现全新的通信模式转变，同时，通过这样的融合也必定会对现有技术提出改进和提升的要求，以及催生出一些新的技术。 图1. 物联网架构 物联网作为一个系统网络，与其他网络一样，也有其内部特有的架构。业界普遍认为，物联网大致有3个层次，如图1所示： 1　包括各类传感器、控制器等数据采集控制设备，及构成这些设备互联的底层传感网络组成的设备感知层。感知层中的智能终端、智能传感器、射频识别，以及传感网络，组成了物联网的底层基础。 2　将底层传感器数据传输到互联网上的网络层。网络层运用各种接入技术：如以太网、GPRS、3G、Wi-Fi，甚至卫星通讯等，最终接入互联网。云技术强大的存储、查询、计算能力，也都归属在这一层。 3　根据客户自身需求，利用感知数据或状态为用户提供有效的特定服务的应用层。应用层是对感知数据的一种特定形式的呈现。 3. ZigBee 定义及网络拓扑 ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(Bee)是靠飞翔和“嗡嗡"(Zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。 ZigBee是802.15.4协议的代名词，它可以看作是一个商标，也可以看作是一种技术，当它看作是一种技术的时候，它表示一种高层的技术，而物理层和MAC层直接引用IEEE 802.15.4。事物是不断变化的，尤其是通信技术，即使将来ZigBee不再使用IEEE 802.15.4定义的底层，就跟蓝牙（Bluetooth）宣布下一代底层采用UWB技术一样，但是ZigBee这个商标以及高层的技术还会继续保留。 ZigBee采用IEEE 802.15.4标准作为物理层和MAC层标准，用于组建低速率低功耗的无线个域网（LR WPAN）。ZigBee具备强大的设备联网功能,它支持3种主要的自组织无线网络类型，即星型结构(Star)、网状结构(Mesh)和树型结构(Cluster Tree)，如下图2所示，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。 网状网络容错能力高、自适应力好、传输距离长, 但其复杂度也最高；星型网络具有简洁和低功耗等特点, 使用简单, 适用于家庭小规模、低复杂度的应用；树状网络则介于两者之间。 图2. ZigBee网络拓扑分类 4. ZigBee 技术特点 1　速率低：数据传输速率20KB/秒～250KB /秒，专注于低传输应用； 2　功耗低：在低功耗待机模式下，两节普通5 号电池可使用6～24 个月； 3　成本低：ZigBee 数据传输速率低，协议简单，大大降低了成本； 4　时延短：典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms；网络容量大：网络可容纳65,000 个设备； 5　网络容量大：网络可容纳65,000 个设备； 6　安全性高：ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128 加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）,各个应用可灵活确定其安全属性； 7　有效范围小：有效覆盖范围10～75 米，具体依据实际发射功率大小和各种不同的应用模式而定； 8　工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段。 ZigBee技术与常用的几种短距离无线传输协议的比较，如下图3所示，从图3中可以看出，ZigBee特别适合低数据速率下的控制以及传感信号的传输，ZigBee 联盟也正在这方面大力拓展市场。 标准（技术） ZigBee RFID 蓝牙 Wi-Fi NFC UWB 传输速度 20~250kbps 1kbps 1Mbps 11~110Mbps 424kbps 54~480Mbps 功耗 5mA 10mA 20mA 10~50mA 10mA 10~50mA 成本 低 最低 低 高 低 高 传输距离 10~75m 1m 10m 20~200m 20m 40m 工作频段 2.4G   2.4G 2.4G 13.56G 3.1~10.6G 安全 高   中等 低 极高 高 主要应用 无线传感、控制 常用以取代条码 通信、IT、数据 无线上网、PDA、 PC 手机、 近场通信技术 多媒体、 数字电视               图3. 常用的几种短距离通讯协议 5. ZigBee 技术在物联网中的应用 ZigBee 网络的冗余自组织和自愈能力适于许多类型的应用，主要包括家庭自动化、智能交通和工业控制等领域，如下图4所示，专家预计，这一技术将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场。 5.1. 数字家庭领域 ZigBee技术可以应用于家庭的照明温度安全控制等。ZigBee模块可安装在电视灯泡遥控器儿童玩具游戏机门禁系统空调系统和其他家电产品等，例如在灯泡中装置ZigBee模块，人们开灯就不需要走到墙壁开关处，直接通过遥控便可开灯。当你打开电视时，灯光会自动减弱；当电话铃响起或你拿起话机准备打电话时，电视机会自动静音。通过ZigBee终端设备可以收集家庭的各种信息，传送到中央控制设备，或是通过遥控达到远程控制的目的，提供家居生活自动化、网络化与智能化。 5.2. 智能交通 如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式地部署大量ZigBee终端设备，人们就不再担心会迷路。安装在汽车里的全球定位系统（GPS）也能提供类似服务，但是这种新的分布式系统能够向你提供更精确、更具体的信息，甚至能覆盖到楼道或隧道内。 图4.  ZigBee应用范围 使用这种系统，也可以跟踪公共交通情况，你适时地赶上下一班车，而不至于在寒风中或烈日下在车站等上数十分钟。基于ZigBee技术的系统还可以开发出很多其他功能，例如在不同街道根据交通流量动态调节红绿灯，追踪超速的汽车或被盗的汽车等。 5.3. 工业控制 通过ZigBee网络自动收集各种信息，并将信息回馈到系统进行数据处理和分析，以利工厂整体信息之掌握，例如火警的感测和通知、生产机台之控制等，都可由ZigBee网络提供相关信息，已达到工业与环境控制的目的。韩国研发出基于ZigBee技术的自动抄表系统。该系统无需手动读取电表、天然气表及水表，从而为公用事业企业节省数百万美元，此项技术正在进行前期测试，很快将在美国市场推出。 6. ZigBee在矿工生命保障中的实际应用举例 经济的发展使得煤炭成为我国最主要的能源来源，然而，近年来煤矿安全事故的频发，时刻提醒科技工作者建立一套完整的煤矿安全监控系统已是当务之急，而对井下人员进行有效定位和对矿井的气体环境（瓦斯浓度、CO浓度、含氧量等）进行实时监控是预防煤矿安全事故的有效手段之一，如下图5所示系统结构图。 图5.  系统结构图 矿井下的坑道中每隔几十米假设固定的网关设备，并用线缆相连，用于收集ZigBee 无线信号，并将收集到的数据通过有线方式传输到地面的中央控制计算机，如下图6所示。矿工佩带的终端设备都拥有一个64位的IEEE地址，这个ID号是唯一的，也可以使用16位段地址来减少数据包大小，这样只要下终端地址就很容易确定矿工身份。在发生矿难时也很容易根据网关最后记录找到具体矿工的位置，便于营救。同时，一般ZigBee设备的耗电量极低，发射功率可以控制在1mV以内，2节普通的五号电池可以支持系统终端工作3个月到1年的时间，非常适合在工矿企业大面积设备。如果矿工自身携带的照明系统蓄电池供电，终端的续航能力将大大提高。 网关收集到的信号通过有线方式传输到地面上，有线互联采用的具体介质以及其中的数据传输方式的选择要根据具体情况综合成本等因素具体考虑，有线数据通过接口模块的格式转换将之变成计算机能识别处理的数据。数据处理主要是对手机的各种参数与预先内置在系统中正常值比较，比如对瓦斯浓度进行对比决定是否切断电源；对CO浓度对比决定是否要撤离人员；对空气湿度对比判断是否有发生透水事故的可能等。达到危险等级就报警，使之成为一个生命保障系统。 图6.  信号流程框图 7. 结束语 ZigBee 技术的特点使它能在智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人、个人健康等领域有所作为。而物联网更是在这个方面大有发展潜力。物联网被称作下一个万亿级的信息技术产业，而已趋于成熟的ZigBee 技术在物联网中的应用应当具有相当强的意义和广阔的前景。