无线通信技术-ZigBee

1.简介

通常,工厂有成千上万的传感器,例如,压力传感器、流量计、温度传感器、高度传感器等。到现在,有线网络常常用于连接传感器,将采样的数据传送至控制系统。有线网络用于仪器和控制非常可靠和稳定。然而,其费用较高。因此,目前客户对无线网络的要求越来越强烈。许多国内外的公司和研究机构开始研究怎样实现工业无线方案和控制系统。ZigBee是近距离无线数据传送技术。由于其安全,可靠,简单,灵活,廉价,待机时间长等一系列的优点,在工业控制领域显示出强大的潜力,成为目前研究的热点,ZigBee作为一种无线技术,在传感器和控制领域的信号和数据传输中可以替代有线。

2.IEEE 802.15.4标准

802.15.4是IEEE制定的无线通信标谁,IEEE是电气电子工程师学会,它制定了许多标准来促进技术的易用性。802.15.4标准是指在868-868.8MHz,902-928MHz,2.400-2.4825GHz。这些频带都能使用802.15.4设备,2.4Ghz频带在许多国家都很流行,868MHz频带流行于欧洲,而902-928MHz频带只用于美国、加拿大和一引些其它国家。

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图1  IEEE 802.15.4 栈

802.15.4标准可以在从2.405到2.480Ghz的5MHz范围内通信。在2.4MHz频带在空中的传输数据的额定速度最大可大250Kbps,但是由于墙的阻隔实际的最大数据传输速率会减半,标准为5MHz带宽,实际可能只有2HMz带宽。频带在2.4GHz时,802.15.4通常用用射频半波脉冲调制直接序列扩频和O-SQSK技术。

3.ZigBee协议

ZigBee协议规范批准于2004年12月。涉及70多家公司(超过200家公司家入了紫ZigBee协会)。它的目标是建立一个低成本、低功耗的无线通信系统用于数据传送。用在家电、电脑外围设备、照明系统、工业控制、智能建筑和医疗监控等领域。通过比较其它无线通信系统,ZigBee协议栈被认为是比较小的:4Kb 用于节点,32Kb用于整个协议栈。ZigBee提供一个基于IEEE 802.15.4 标准的地址和物理层的层节构。这个设计利于低功耗和更长的电池续航能力。这对于无线是最重要的因素。由于ZigBee基于IEEE 802.15.4 而继承了其低传输速率,传输距离为100米(不同的环境不同)。下面的表格1把几种目前最流行的无线技术作了一个比较。上层是ZigBee最重要的特性它使用了两种不同的类型:网状和树状。这样给应用设计者更多的自由来开发他们想要的东西。协议同样提供程序框架使得开发标准的应用更加的简单和便捷。同样,促进了已经存在的功能、库和文档和用于各种频率不同应用环境。这就是为什么ZigBee不仅能仅仅用一条简单命令就能在传感器节点之间通信。wps_clip_image-4873

图2  ZigBee协议栈

ZigBee无线网络是基于IEEE的802.15.4标准的物理层和媒体数据层,网络层、安全服务层和应用接口是由ZigBee联盟定义的。特殊的应用运行在堆栈上层,IEEE802.15.4 协议使得它的速度在距离在10到100米应用可达到20Kb/s(868MHz),40Kb/s(915MHz)和250Kb/s(2.4GHz)混合网络和点对点网络,它的电力消耗通常低于Wifi和蓝牙网络。另一个优点是ZigBee设备新的节点可以快速的增加到网络中:30ms;换醒节点只要15ms,之后就能和其它节点进行通信。这在许多工业控制领域非常重要。ZigBee协议这样设计以至于不同信号的成员配置的自动的,不用人工干预,ZigBee协议会通过信号进行重发、确认数据信息的路径。ZigBee同样有自动修复网络的能力,如果信号从由于某些原因被删除了,一个新的路径将会从出发点向目的地进行信息的传输。

用ZigBee规范的设备能用于初始设备和终端设备,路由器和协调器。路由器也可以用于终端设备,自从ZigBee协议使用了IEEE 802.15.4标准用于定义PHY和MAC层,它的频率、信号频带和调制技术就完全相同了,因为ZigBee的设计用于低功耗应用,其中的一个好处就是任何一个节点都能向另一个节点发送信息。

ZigBee802.15.4 GSM/GPRS CDMA 802.11 蓝牙
面向对象 监控和控制 广域声音和数据 高速英特网 设备联接
电池寿命 几年 1周 1周 1周
带宽 250Kbps 2Mbps 54Mbps 720Kbps
传输距离 大于100米 几千米 50-100米 10-100米
优点 低功耗、廉价 已有基础设施 速度、唯一 便捷

表一  比较ZigBee和其它无线技术

ZigBee网络有两种类型的设备,全功能设备:它有具有全功能和能充当网络协调者、路由器甚至不完全功能设备的角色。协调者(在网络中上唯一的)有组织网络的能力,建立一个地址方案;它同时可以实现路由功能。路由器同样可以向前传送信息、和网络中的其它成员通信。不完全功能的设备只能和网络协调者或最近的路由器通信,所以它不能实现网络协调者的功能,它一般在网络的末端承担产生信息或从实体读取信息的功能(终端)。它的实现非常简单。这种设备通常运行在睡眠模式,用于节约电量,随时呆以被唤醒用于收发信息。

4.ZigBee应用于电力系统

ZigBee技术完全适合用于电力监控系统。它能为电力系统的运转提供可靠的保护。下面几点可以证明这个论点。

大容量,每一个ZigBee网络能支持65000个节点,它能适应结构复杂的电力系统。最大传输速率可以大达到250Kbps,这完全可以满足电力监控系统的数据传输需要。

强大的抗干扰能力。ZigBee技术可以抵抗来自环境的干扰。如汽车,移动电话,发电机,配电房,变压器等。

廉价。安装费用低,维护简单,而且,它不需要租用公共网络。所以它不需要花费大量的运行费用。

低功耗。在备用电池的模式,两节5号的干电池可以使用6个有到2年。ZigBee这种独一无二的技术可以确保电力监控系统在停电的情况下继续工作。

低延时。它的延时通常为15~20ms,所以它可以适用于工业的实时数据传送系统。

安全性强。采用AES-128的加密算法。这样可以提供完善的认证服务。

5.ZigBee应用于工业控制

工业控制和楼宇自动化的制造商最关心的问题是无线技术的健壮性的安全性,这ZigBee都考虑到了,第一,ZigBee网络在节点丢失的情况下可以自我修复和重建。在无线网络阻塞的情况下可以修复路径。这种情形经常发生在工厂和商业建筑环境。健壮性来自于网络的网状结构提供的复合的可能性路径。

第二,ZigBee标准的安全性包括每一个设备,128位的AES加密,能过密钥传送至节点。安全机制通过严格的机制用于形成、联接和允许一个新的节点加入到网络,同允许节点和ZigBee协调者和路由器的联接时间。

6.基于ZigBee技术的无线传感器网络

ZigBee技术允许网状网络自组网。网状网络可以运转非常长的一段时间,甚至一年,都不用更换电池。ZigBee设备运行在不用授权的无线频段。不用授权的频段在不同的地区不同。ZigBee设备可以运行在三个不同的频段,为868,915,2400MHz。

频带(MHz) 比特率(Kb/s) 频道数 地理分布
868,3 20 1 欧洲
902-928 40 1-10 美国、澳大利亚
2406-2480 250 11-26 全世界

表2  ZigBee频带和比特率

最有优势频段是2400MHz,因为它的传输速率达到250Kb/s且它在全世界可以通用。有2402-2480MHz频段使用的是O-QPSK调制技术。有868和902-928频段通常使用的DSSS和BPSK技术。用O-QPSK和BPSK可以减小功耗和复杂性。

ZigBee联盟设计的时候考虑了不同的应用环境:智能家居、商业建筑、工业自动化和医疗器械。给出了这种分类,联盟首要的问题是试图解决不同制造商间的兼容性。

1.ZigBee特性

ZigBee成为全球控制/传感器网络标准。它提供了以下特性:

低花费(硬件、安装、维护),低花费对于用户来说就是低价的硬件,低安装费用和低维护成本。ZigBee设备最初的电池在再不充电和情况下可以持续使用几年。ZigBee的简洁性用于网络内部配置和冗余提供了低的维护成本。

低功耗。电池寿命可以从几月到几年。

节点对于网络高度的确定性。ZigBee用了IEEE802.15.4的PHY和MAC允许网络管理任何一个设备。这样有助于区别大量的传感器阵列和控制网络。

不同频带最大传输速率不同[email protected],[email protected][email protected]

不同的拓扑结构:星形,点对点,网状

高吞吐量、低延时可以用于低延时应用(<0.1%)。

CSMA-CA

寻址空间大,64位,65535个网络

70-100米的通信距离

可靠的数据传输协议

2.ZigBee应用

ZigBee网络由复合的具有各自特性的通信量类型组成。包括周期的数据、中断数据、低延时的重复数据。它的特性如下:

周期性的数据-通常由应用定义,如无线传感器或计量器。数据类型用的是报警系统,传感器唤醒,然后检查报警,交换数据和进入睡眠。

间断的数据-应用和外部激励定义,如无线光电转换。数据应用在指示系统和断开。在断开运行的时候,设备只要需要通信的时候才获取网络,这样可以节约大量的能源。

重复的低延时数据-使用时间配置系统,如安全系统。这些应用可以使用GTS,GTS是QoS的一种方式,允许每一个设备在特定的时间通过PAN协调器定义使用。无论这是否联接或延时。

不完全功能设备唤醒和听从来自PAN协调器的信号。如果收到则RFD就会加入到网络,PAN收到请求,一旦联接,设备就可以传送信息或进入休眠。这种能力为低任务的设备提供了长达多年的续航能力。中断形式,如无线信号灯转换,当需要通信的时候联接到网络(如打开一盏灯)。

对于重复低延时的应用确保时间服务的质量。时间在每一个框架减少联接和执行时间,应用要求关键性的数据传送,包括医疗报警和安系统。在所有的应用程序,ZigBee设备小容量的数据和其它标准相比有高效的吞吐量。ZigBee网络的低延时性可以用于低工作周期的应用。一个新的网络节点被识别和组织只要大约30ms。唤醒一个睡眠的节点需要花费15ms。

ZigBee应用得利于快速获取信息、断开、睡眠的能力,这就使其具有低功耗和超长待机时间。

7.结论

无线通讯技术常常用于工业应用领域,用ZigBee无线技术一个很大我优势就是测量、监控系统这种需要复杂拓扑节构的传感器网络。其提供了可以快速识别的系统。同样结合ZigBee网状网络可以增加使用时间,甚至可以达到几年,而不用更换电池。

如果你需要组建一个网状功能的无线系统,ZigBee是必须的,ZigBee技术结合其它无线技术可以彻底的改变工业自动化的现状。td valign=”top” width=”79″

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