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物联网无线通信模块:Zigbee无线模块在物联网领域的典型应用

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一、引言

长期以来,低成本、低功率、短距离的无线通讯市场一直存在着。自从Bluetooth问世后,一度让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者动心不已,而蓝牙的成本却让他们望尘莫及,这导致许多厂商放弃使用。

如今,这些行业厂商领导者都加入IEEE802.15.4联盟,负责制定ZigBee的物理层和媒体介入控制层。IEEE802.15.4规范是经济,高效,低数据速率(<250 kbps),适用于个人区域网络和对等网格网络的2.4 GHz和868/928 MHz无线技术。 它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。

ZigBee是一种新兴的低成本,低复杂度,低功耗,低数据速率,低成本无线网络技术,是无线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案。主要用于短距离无线连接。 它是基于802.15.4标准,在数千个微小的传感器之间协调实现通信。 这些传感器需要非常低的功耗,并且通过无线电波将数据从一个传感器传输到另一个传感器,因此它们的通信效率非常高。

多年来,无线技术已经开发出不同的分支机构,适用于不同领域。最初,许多技术仅用于消费电子通信,如CDMA / GPRS,WI-FI,蓝牙等,但现在随着工业控制的需求,一些无线技术也被应用于工业领域。 就像下面介绍的ZigBee技术一样。 通过使用这些技术可以解决传统控制因为没有通讯功能而无法实现集中监控的问题,这将操作维护人员从大量繁琐的工作中解放出来,大大减轻了系统的不利影响和人工成本开销。

一般来说,随着通信距离的增加,设备的功耗、系统成本、复杂性都在增加。与现有的无线通信技术相比,ZigBee技术将是最低的功耗和成本的技术。同时由于ZigBee技术的数据传输速度和通信范围偏低,ZigBee技术也适用于携带流量较少的数据流量。 所以ZigBee联盟预测了工业控制,消费电子,汽车自动化,农业自动化和医疗设备控制等主要应用领域。

Zigbeeg应用图如图1-1所示:

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二、IEEE 802.15.4和ZigBee介绍

 IEEE无线个人区域网(PAN)工作组的IEEE 802.15.4技术标准是ZigBee技术的基础。802.15.4标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10米左右的低速连接,可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等消费与商业应用领域。传感器网络是其主要市场对象。

 IEEE802.15.4定义了两个物理层标准,分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。它们都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum,直接序列扩频),使用相同的物理层数据包格式,区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段,有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kb/s的传输速率,有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期,从而更加省电。IEEE802.15.4特点如图2-1所示:

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  Zigbee在中国被翻译成“紫蜂”,是基于IEEE802.15.4协议开发的一种短距离无线通信技术、功耗低、行业最有可能用于工业应用中的无线通信技术。 Zigbee是一个由多达65535个无线数据传输模块组成的无线数据传输网络平台。 每个Zigbee网络数据模块可以在整个网络上相互通信。 每个网络节点之间的距离可以从标准75m无限扩展改变。 ZigBee是在2.4GHz(全球),868MHz(欧洲)和915MHz(美国)中分别以250kbit / s,20kbit / s和40kbit / s的速度运行的无线连接,其传输距离 范围在10-75m,但可以继续增加。

作为一种无线通信技术,ZigBee技术具有如下特点:

1.低复杂度

zigbee协议的大小一般在4-32KB,而蓝牙和wi-fi一般都超过100KB

2.自组织

zigbee能够自动建立其所想要的网络

3.时延短:

通信延迟和休眠唤醒非常短暂。典型的搜索设备延迟30ms,睡眠唤醒延迟为15ms,有源设备信道接入延迟为15ms。所以ZigBee技术适用于要求苛刻的无线控制(如工业控制等)应用的延迟。

4.低功耗:

由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其它无线设备望尘莫及的。

5.可 靠:

采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发

6.低成本

ZigBee模块的初始成本在6美元左右,先如今已降到1.5—2.5美元,并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。

三、Zigbee设备类型

 在由ZigBee协议栈组成的网络中,存在三种类型的逻辑设备类型—协调器(Coordinator)、路由器(Router)、终端设备(End Device)。一个ZigBee网络包括一个协调器节点、多个路由器和终端设备节点。

Zigbee网络链接如图3-1所示:

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  1、协调器(Coordinator)

Coordinator协调器员负责启动整个网络。它也是网络上的第一个设备。 协调器选择信道和网络ID(也称为PAN ID,本地网络ID),然后启动整个网络。 ZigBee协调器也可用于帮助在网络中建立绑定和应用程序层绑定。 协调器的角色主要与网络的启动和配置有关。 一旦这些完成,协调器就像一个路由器。 由于ZigBee网络本身的分布,整个网络的运行不再依赖协调器的存在。

2、路由器(Router)

ZigBe路由器的主要功能是:允许其他设备加入网络、多跳路由和帮助电池进行电子终端设备的通信。通常,路由器将保持活动状态,因此在这种情况使用外部电源是最佳选择。 但是,当使用此网络模式的Mesh组网时,允许一定周期的路由间隔一次,因此也可以使用电池供电。

3、终端设备(End Device)

ZigBee终端设备没有特定的维持网络结构的责任,它可以睡眠或者唤醒,因此它可以是一个电池供电设备。通常,终端设备对存储空间(特别是RAM的需要)比较小。

一、 Zigbee 应用

  ZigBee的初衷是开发易于构建的低成本无线网络,而其低功耗将使产品的电池持续六个月至几年。 在产品开发初期,将以工业或企业市场为导向的感应网络,提供传感器识别,照明和安全控制等功能,然后逐步扩大当前市场应用于家庭物联网中。通常符合以下条件之一的应用,就可以考虑采用ZigBee技术,如:

1、空调系统的温度控制器, 灯光、窗帘的自动控制;

2、老年人与行动不便者的紧急呼叫器;  

3.电视与音响的万用遥控器, 无线键盘、滑鼠、摇杆,玩具;

4.烟雾侦测器;  

5.智慧型标签。

Zigbee应用实例一

智能交通控制系统如图4-1所示:

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Zigbee应用实例二  无线远程抄表系统如图4-2所示:

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四、成品方案

 成都亿佰特(www.cdebyte.com)是一家专注与物联网应用的高科技公司,其E18系列是集齐Zigbee组网三个类型设备(协调器、路由器、终端)与一身的Zigbee无线模块,可实现星型组网、mesh组网等多种组网方式,模块参数可以通过专用配置软件(如图5-2所示)自由设置,可实现广播、组播、点播三种数据传输方式,在点播模式下,还可根据不同需求任意搭配MAC地址、网络地址、透传等方式,无论是对于成品工业应用还是初学者学习都是绝佳的选择。其实物图如图5-1所示换3-5

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五、小结

 本文介绍了ZigBee技术和IEEE802.15.4标准及其相关应用,讨论了其关系,以及其在无线通信领域的应用前景和前景。 ZigBee技术弥补了低成本,低功耗和低速无线通信市场的空缺,这是该技术成功的关键所在。 随着协议的正式版本的发布,更多的关注和研发力量将进入应用程序设计和实施,互操作性测试和营销等。 我们有理由相信,在不久的将来,将有越来越多的内置ZigBee功能的设备融入我们的生活,并将大大改善我们的生活方式和经验。


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