Zigbee在物联网中的应用47.pdf

华中科技大学硕士学位论文

1.物联网和Zigbee

温家宝2009年8月在无锡提出“在传感网发展中,要早一点谋划未来,早一点攻破核心技
术”，“在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展”，“尽快建立中国的传感信息中心，
或者叫‘感知中国’中心”。同年11月温家宝在发表“让科技引领中国可持续发展”的讲话
中再次提及物联网，并将其纳入到国家新兴战略性产业中。
随即“传感网”“物联网”成了热点被大家关注，被认为是继计算机、互联网与移动通
信网之后的再一次信息产业浪潮。

1.1.物联网的概念

物联网是把物品用网络连接起来，进行信息交换，从而实现智能识别、定位、跟踪、监
控和管理的一种网络[1]。

1.2.物联网的发展

物联网是1999年提出来的概念，2005年国际电信联盟在信息社会世界峰会上提出来的物
联网这个名词。在这个领域，IBM提出了智慧地球，HP提出地球神经中枢，思科提出智能城
市，2009年西安优势微电子公司首次推出了国内首颗物联网核心芯片——“唐芯一号”，宣告
我国已经攻克了物联网的核心技术。
物联网在短短几个月内成为全社会和产业界热切

关注的宠儿。物联网已经成为信息化发展的重要趋势，应用管理层
成为人类社会迈向更加高效、智能的信息社会的一大
特征[2]。
网络传输层

1.3.物联网应用的一般形式
感知控制层

物联网应用一般有三层构成：感知控制层、网络图1.1物联网一般结构
传输层、应用管理层，感知控制层搜集、执行数据，
网络层传递数据，应用管理层存储数据、处理数据以及提供服务。
图1.1展示了物联网的一般层次结构，箭头表示数据流向，可见数据是双向传输的。

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由于专业范围的限制，本文讨论的内容主要集中在感知控制层和网络传输层的一部分。

1.4.Zigbee的技术特点

ZigBee的基础是IEEE802.15.4，IEEE只定义了低级MAC层和物理层，ZigBee联盟丰
富了MAC层并对网络层协议和API进行了标准化。Zigbee技术有以下几个特点：

低成本

ZigBee节点的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元,并且ZigBee协
议是免专利费的。同时Zigbee路由只不过是在普通节点的基础上增加了供电能力成本也不会
超过10美元，这比移动通信网的基站要廉价很多。由此整个网络的成本优势就很明显[3]。

低功耗

Zigbee的发射功率都很低，大多数发射功率都不超过1mW，并且Zigbee协议允许节点深
度睡眠来降低功耗，因此Zigbee节点的功耗都可以控制得很低。

节点多

Zigbee用16位短地址寻址和64位长地址寻址两种方法来寻址设备。这两种寻址方式可
以任意选择。用64位长地址寻址意味着网络可以容纳2个网络设备[4-6]，所以Zigbee网络几
乎可以容纳无限数量的网络设备。

自组网自修复

Zigbee的网络层有很强大的组网功能，能自主组建性能最优的网络，并且能在特殊情况
下自动修复损坏的网络连接。

抗干扰能力强

Zigbee物理层采取的扩频技术能提供多达9dB的处理增益，同时MAC层采用了
CSMA-CA策略，并且留了专用时隙给需要固定带宽的通信业务预，最大限度地避开了发送数
据的竞争和冲突，这都保证Zigbee网络具有很强的抗干扰能力[7,8]。

能与其他无线协议共存

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图1.22.4GHz附近其他无线标准的频段分布
如图1.2所示[9-11]，Zigbee的11至26通道的频率和其他无线协议的频段有重叠也有交错，
所以当这些无线协议在一个区域内同时存在的时候，他们之间总能找到属于自己的那个频段。

这就保证了Zigbee能够和其他无线通信在同一个区域共存。

标准化

Zigbee联盟针对各种应用做了很多标准化工作，这主要体现在应用层的应用框架上。应
用框架是Zigbee协议里内容最丰富的部分，也是发展最快的部分，图1.4显示了Zigbee应用
框架的结构[12]，有了这种标准的应用框架，可以大大加速应用的开发速度，同时也保证了各
大厂家产品的兼容性。图1.3展示了目前已经成形的几大应用[13]。

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图1.3应用类别分布

1.5.Zigbee和物联网的契合点

物联网和互联网应用的最大不同就是多了感知
控制层，这一层囊括了太多内容，正是依赖这一层Applicationprofile

才将互联网的应用拓展到几乎每个角落，从而形成APIcallCMD
Callback
物物联网应用。
Zigbeeclusterlibrary
物联网的感知控制层是各种传感器或者执行器，
其数量往往很大，因此单个节点