1.1 ZigBee无线传感网络概述

1.1.1 ZigBee无线传感器网络的定义

20世纪90年代末，随着微电子技术、无线通信技术与计算机技术的快速发展，无线网络得到了快速的发展，用于无线个人区域网范围的短距离无线通信技术标准也得到了迅速的发展，典型技术标准有Wi-Fi（IEEE 802.11b/g）、无线USB（Wireless USB）、蓝牙（Bluetooth）、超低功耗蓝牙无线技术（Wibree）、红外无线技术等数据传输协议标准。不同的协议标准对应不同的应用领域。其中，Wi-Fi主要用于大量数据的传输，Wireless USB主要用于视频数据的传输，Bluetooth主要用于少量设备的短距离数据交换。

随着物联网应用技术的发展，无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）也得到了相应的发展。无线传感器网络协议标准日渐规范，其中得到广泛应用和推广的一种协议就是ZigBee 2007协议（紫蜂协议）——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的方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络）。它主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。德州公司（Texas Instruments，TI）公司已经推出了完全兼容该协议的片上系统（System on Chip，SoC）芯片CC2530，同时也开发了相关的软件协议栈Z-Stack。开发者可以利用上述硬件和软件资源，搭建自己的无线传感器网络。

如图1.1所示，ZigBee无线传感器网络综合了传感器技术、RFID技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地进行实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息。这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算机世界和现实世界的连通。与传统的互联网不同，ZigBee无线传感器网络实现了信息采集、信息处理和信息传输等功能，改变了人类与物理世界交互的方式。

目前，国内外可提供ZigBee解决方案的公司有TI、Jennic、ST、Atmel等。其中，TI公司提供的方案最全，新出的有CC2530、CC2538等无线节点；Atmel公司生产的基于ARM内核的MC13244能够在低功耗的情况下输出更大的功率。表1.1列出了目前国内外5大ZigBee芯片厂商、代表型号以及协议栈名称。

美国《商业周刊》在1999年将ZigBee无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术之一。2003年，MIT《技术评论》（麻省理工科技评论杂志）在对10大新兴技术的评价中，将传感器网络列为改变世界的10大技术之一。美国军方于20世纪90年代率先开展了对ZigBee无线传感器网络的研究，用于提高战场实时监控与作战反应能力。WINS、SmartDust与SensIT等都是其早期著名的研究项目。随后，在美国国家自然科学基金委的推动下，美国多所著名大学，如哈佛大学、加州大学伯克利分校与弗吉尼亚大学等，展开了对ZigBee无线传感器网络更加深入广泛的研究。至此，ZigBee无线传感器网络不再仅仅应用于军事领域，也被逐渐应用于民用领域。此后，世界各国纷纷加大了在ZigBee无线传感器网络方面的科研投入。

在我国，ZigBee无线传感器网络也得到高度重视并迅速发展。清华大学的任丰原教授等人率先开展了对ZigBee无线传感器网络的研究，并发表了第一篇中文ZigBee无线传感器网络的综述，揭开了我国ZigBee无线传感器网络研究的序幕。中国科学院信息工程研究所的孙利民教授编纂了《ZigBee无线传感器网络》一书，详细介绍了ZigBee无线传感器网络的研究现状，为国内众多研究者提供了宝贵的学习资料。我国政府在2006年将传感器网络技术列进未来15年的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》，标志着ZigBee无线传感器网络研究的兴起。2009年，温家宝总理将传感器网络和物联网列为我国5大新兴战略性产业。物联网是在传感器网络技术上发展的物物相连的网络。为落实国家对发展物联网技术与产业的发展规划，2009年无锡市建立了无锡物联网研究基地，正式标志着传感器网络进入标准化和产业化阶段。ZigBee无线传感器网络正随着科技的创新而快速发展，并逐渐渗透到人类生活的方方面面。

1.1.2 ZigBee无线传感器网络的特点

与其他无线通信协议相比，ZigBee无线传感器网络具有协议复杂程序低、资源要求少等特点，具体如下。

1．低功耗

低功耗是ZigBee的一个显著特点。由于工作周期较短、收发信息功耗低且采用了休眠的工作模式，可以确保2节5号电池支持长达6个月到2年的使用时间。由于不同应用具有不同的功耗，因此具体的使用时间还受具体应用场合的影响。

2．低成本

协议简单且所需的存储空间小，这极大地降低了ZigBee的成本。每块芯片价格仅2～5美元，而且ZigBee协议是免专利费。

3．时延短

ZigBee无线传感器网络的通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延为30ms，休眠时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。这样，一方面节省了能量消耗，另一方面更适用于对时延敏感的场合。例如，一些应用在工业上的传感器就需要以毫秒的速度获取信息，以及安装在厨房内的烟雾探测器也需要在尽量短的时间内获取信息并传输给网络控制者，从而阻止火灾的发生。

4．数据传输速率低

ZigBee无线传感器网络的数据传输速率为10～250kbit/s，专注低传输应用，数据传输可靠性高；采用碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。介质访问控制层（Media Access Control，MAC）采用了完全确认的数据传输机制，发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

5．网络容量大

一个ZigBee设备可以与254个设备相连接，一个ZigBee网络可以容纳65 536个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在100个ZigBee网络。网络有星状、树状和网状网络结构。在有节点加入和撤出时，网络具有自动修复功能。

6．有效范围小

ZigBee无线传感器网络的有效覆盖范围在10～200m，具体根据实际发射功率的大小和应用模式而定。

7．工作频段灵活

ZigBee无线传感器网络的工作频段为2.4GHz（全球）、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照频段。

8．兼容性好

ZigBee无线传感器网络与现有的控制网络标准无缝集成；通过网络协调器（Coordinator）自动建立网络，采用CSMA-CA方式进行信道存取；为了传递的可靠性，提供全握手协议。

9．安全性高

ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

10．协议套件紧凑而简单

ZigBee具体实现的要求很低。ZigBee套件需要8位微处理器，如80C51；全协议套件需要32KB的ROM；最小协议套件需要大约4KB的ROM。

表1.2为ZigBee技术与其他几种常见的短距离无线通信技术之间参数的比较。通过比较不难发现，ZigBee技术在网络容量、功耗及成本等方面有着明显的优势。