无线传输Zigbee

无线传输Zigbee（精选七篇）

无线传输Zigbee 篇1

一、几种无线传输技术及其比较

1. 蓝牙Blue Tooth (IEEE802.

15.1) 。蓝牙最早是爱立信研发的一种能使手机与其附件 (如耳机) 之间互相通信的无线模块。蓝牙主要用于通信和信息设备的无线连接, 它的工作频段是在2.4GHz ISM频段, 采用了GPSK调制技术和FHSS扩频技术, 发射功率分别为0d Bm、4d Bm和20d Bm三级, 有效范围大约在10m半径内。Blue Tooth为语音和特定网络提供支持, 需要协议栈提供250k B系统开销, 从而增加了系统成本和集成复杂性。另外, Blue Tooth对每个Picone (微微网) 只能配置7个节点的限制, 制约了其在大型传感器网络开发中的应用。

2. Wi-Fi (IEEE802.

11) 。Wi-Fi (Wireless Fidelity, 无线高保真) 也是一种无线通信协议。IEEE802.11的最初规范是在1997年提出的, 主要目的是提供WLAN接入, 也是目前WLAN的主要技术标准, 其工作频率也是2.4GHz。IEEE802.11流行的几个版本包括“a” (在5.8GHz波段带宽为54MBps) 、“b” (波段2.4GHz带宽为11MBps) 、“g” (波段2.4GHz带宽为22MBps) 。这种复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难。由于其优异的带宽是以较大的功耗为代价, 因此大多数便携Wi-Fi装置都需要常规充电。

3. Ir DA (红外线数据) 。

红外线数据协会Ir DA (Infrared Data Association) 是一种利用红外线进行点对点通信的技术。Ir DA标准的无线设备传输速率已从115.2k Bps逐步发展到4MBps、16MBps。目前, 支持它的软硬件技术都很成熟, 在小型移动设备 (如PDA、手机) 上被广泛使用。它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用成本低廉的特点。

4. Zig Bee (IEEE802.

15.4) 。Zig Bee的基础是IEEE802.15.4, 但是IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议, 因此Zig Bee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。Zig Bee技术同样使用2.4GHz波段, 采用跳频技术和扩频技术。另外, 它可与254个节点联网, 节点可以包括仪器和家庭自动化应用设备。它本身的特点使得其在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域有很大的发展空间。

二、Zig Bee技术的主要特点和优势

为了满足类似于传感器的小型、低成本设备无线联网的要求, 2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组, 致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用, 且复杂度、成本和功耗均很低的低速率无线连接技术。

Zig Bee联盟成立于2001年8月。他们制订一个基于IEEE802.15.4、高性价比、低功耗的网络应用规格。到目前为止, 除了Invensys、三菱电子、摩托罗拉、三星和飞利浦等国际知名的大公司外, 该联盟大约已有百余家成员企业, 并在迅速发展壮大。

Zig Bee技术的主要特点有:

1. 功耗低。由于Zig Bee的传输速率低, 发射功率仅为1m W, 在休眠模式下, 电池寿命可长达数年。

2. 成本低。Zig Bee通信模块的单位成本在几美元左右, 并且Zig Bee协议是免专利费的。

3. 时延短。通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短, 典型的搜索设备时延为30ms, 休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此Zig Bee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制 (如工业控制场合等) 应用。

4. 网络容量大。一个星形结构的Zig Bee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备, 而且网络组成灵活。

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。

6. 安全。Zig Bee提供了基于循环冗余校验 (CRC) 的数据包完整性检查功能, 支持鉴权和认证, 采用了AES-128的加密算法, 各个应用可以灵活确定其安全属性。

三、Zig Bee技术的应用

1. Zig Bee技术在工业控制领域的应用。

在现代工业数字化的基础上, 随着计算机软硬件技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平的不断发展, 对数据接口的开放性、数据传输的实时性、数据连接的安全性等方面提出了更高的要求。由于传统有线网络本身的局限性, 许多特殊环境下的网络覆盖和网络支持仍然是个难题。而无线广域网、无线局域网和无线个人网技术却能提供这些问题的有效解决方案。

在工业控制环境下的短距离无线网络技术已成为近年来业界的研究热点之一, 基于Blue Tooth (IEEE802.15.1) 、Wi-Fi (IEEE802.11) 和Zig Bee (IEEE8002.15.4) 等协议的无线网络技术相继问世。在众多无线网络技术中, Zig Bee短程无线网技术以其数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低、电池寿命长等优势, 在工业控制领域中展现了深厚的发展潜力和广阔的市场前景。

Zig Bee技术在工业应用中的优势主要有三点。

(1) 可靠性。工业控制环境下对通信网络的首要要求是数据传输的高可靠性。无线通信在数据传输过程中容易受到外界噪声的干扰而发生衰变, 为了尽可能减小或消除这些干扰, 保障数据传输的可靠性, Zig Bee协议在各个层面上分别采用了不同的安全保障机制。

(2) 实时性。在工业控制系统中, 实时性是另一项重要指标。Zig Bee无线通信网络新增节点的典型网络参与时间为30 ms, 节点从休眠状态激活进入工作状态的典型时延为15ms, 处于工作状态的节点的典型存取时间为15ms, 对于最长等待时间在10 ms量级以上的控制环境, Zig Bee技术完全可以满足实时性的要求。

(3) 灵活性。Zig Bee技术的灵活性主要体现在自身组网的可扩展性以及与其他通信设备之间的共存性。作为无线通信设备, 基于Zig Bee技术的通信模块几乎无须布线, 可随意摆放。无线通信网络建立之后, 在信号覆盖区域内任何一个位置都可以无缝接入网络, 并且可以“漫游”。因此, Zig Bee无线通信网络具有很强的可扩展性。

在共存性方面, Zig Bee通信模块具有透明传输的功能, 在信号覆盖范围以内可以和有线通信设备协调工作。

在Modbus现场总线控制系统中引入Zig Bee无线网络, 可以在确保数据传输可靠性和实时性的前提下, 大大提高控制系统的可扩展性, 降低设备维护的成本, 从而使整个控制系统得到优化。

2. Zig Bee技术在智能家居中的应用。

Zig Bee低成本、低功耗、低传输率、安全性好的特点, 使它很适合应用于对家用电器和小型电子设备的无线控制领域。

在家电控制领域, Zig Bee技术相对现在的红外遥控技术要先进很多, 使用者不用再拿着各种遥控器站在家电前进行操作。Zig Bee技术通过无线方式将各种电子和电器产品连接起来, 用户通过嵌套在诸如手机和PDA之中的遥控模块在规定范围内就可以操控各种家用电器。另外Zig Bee技术还有一些高端应用, 比如当房主在超市购物时, 可以发一条指令, 以了解冰箱中的牛奶、肉类和蔬菜的数量, 确定是否需要再购买。Zig Bee技术的这些优点将会给我们的生活带来极大的便利, 从而在真正意义上实现我们常说的智能家居。

从技术上讲, 智能家居所要实现的主要功能有如下几种。

(1) 对白色家电和其他设备的控制、调节和监测。比如微波炉、灯光、电动窗帘、防盗报警器、烟雾探测器、温度和湿度控制器、各种手动的开关和遥控器等。

(2) 使黑色家电和其他视频设备之间以及与外部世界之间进行沟通, 其中包括计算机、摄像机、数码照相机等。同时还可以实现对它们的控制和监测。

(3) 通过对外的接口, 实现远程控制和信息交换。如电话线、有线电视电缆、市电电源线、双绞线和无线通信方式等。

由此可见, 智能家居主要通过网络控制家庭中各种设备的运行状况。成本和功耗是控制网络的两个关键因素。Zig Bee技术低功耗、低成本、复杂度低的优势正好满足智能家居控制网络的需求。

Zigbee技术在智能家居中的应用系统如图1所示, 将基于Zig Bee芯片的无线网络收发模块嵌入到各种家居设备中, 组成基于Zigbee技术的家庭无线控制网络。通过这些无线网络收发模块在各个网络子节点之间进行数据的传送, 从而实现家庭内设备的无线互连, 使它们能够自动运行, 相互协作, 为居住者提供尽可能多的便利和舒适。

3. Zig Bee技术在无线传感器网络的应用。

无线传感器网络 (Wireless Sensor Network, WSN) 是一种集成了传感器、微机电系统和网络技术而形成的全新的信息获取和处理系统。这种网络属于一种特殊的Ad-hoc网络, 是由许多无线传感器节点协同组织起来的。这些微型节点具有无线通信、数据采集和处理、协同合作等功能, 可应用于布线和电源供给困难或人员不能到达的区域 (如受到污染、环境被破坏或敌对区域) 和一些临时场合等。无线传感器网络的节点可以随机或者特定地布置在目标环境中, 它们之间可以通过基于Zigbee协议组织起来, 从而获取周围环境的信息并且相互协同工作完成特定任务。

这种基于Zigbee协议的无线传感器网络节点由下列部件组成:低功耗微处理器、低功耗通信模块、电源、复位电路等。节点功能模块示意图如图2所示。

无线传感器网络在军事、国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值, 具有十分广阔的应用前景。

4. Zig Bee技术在生产领域和其他领域的应用。在生产领域和其他领域, Zig Bee技术都有着广阔的应用前景。

在矿井生产中, 安装了Zigbee收发模块的工作服可以告诉控制中心矿工的准确位置, 同样的系统也可以应用在小区车辆管理中。在运动休闲领域, 一条使用了Zig Bee技术的高尔夫球道能够预测降雨, 进而调节自动洒水系统, 推迟既定日程中的喷洒时间或者使喷洒范围集中在降雨量较少的球道。

在酒店服务行业, 一家应用了Zig Bee技术的酒店可以自动感知房间是空的, 于是关闭该房间的取暖或制冷系统以便节能。

在食品零售业中, 安置在一板巧克力上的Zig Bee标签不仅仅只是提供巧克力是否到达目的地的信息, 它还能告诉生产商, 是否因为放在阳光下运输使得它周围的温度上升, 获取到信息的厂商就可以通知运输部门在巧克力融化之前把它们移到合适的位置。

可以预见, 在不远的将来, 会有越来越多的内置Zig Bee功能的设备进入我们的视野, 它们将极大地改善人们的生活。

四、结论

无线传输Zigbee 篇2

关键词：ZigBee技术,家庭无线网络,全功能设备,精简功能设备

1. 前言

蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信息, 这种肢体语言就是Zig Zag行舞蹈, 是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义Zig Bee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前Zig Bee也被称为“Home RF Lite”、“RF Easy Link”或“fire Fly”无线电技术, 目前统称为Zig Bee。Zig Bee技术最初是由13家通信及传感器领域的知名厂商于2004年底共同发起制定的。同时成立了Zig Bee联盟以避免标准混乱带来的内部争斗。

简而言之, Zig Bee就是一种便宜的, 低功耗的近距离无线组网通讯技术。Zig Bee, 在中国被译为"紫蜂", 它与蓝牙相类似.是一种新兴的短距离无线技术。

2. Zig Bee技术

2.1 Zig Bee技术综合简介

a.Zig Bee的IEEE相关

Zig Bee采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点, 因而要想弄清楚Zig Bee, 就要了解IEEE 802.15.4, 它就是Zig Bee物理层和MAC层的模板

IEEE802.15.4网络是指使用相同无线信道并通过IEEE 802.15.4标准相互通信的一组设备的集合。在这个网络中, 根据设备所具有的通信的能力, 可以分为全功能设备, 和精简功能设备。全功能设备之间以及全功能设备与精简功能设备之间都可以通信, 与精简功能设备相关的全功能设备通常称之为协调器。IEEE802.15.4定义了两种拓扑结构, 分别为星状拓扑 (理论上一个协调器和多达255个子设备) 和点对点模式。此协议定义了27个信道, 868MHz频段一个信道, 915MHz频段10个信道, 2450MHz频段16个信道。其调制过程如图:

物理帧的第一个字段是四个字节的前导码, 收发器在接收前导码期间, 会根据前导码序列的特征完成片同步和符号同步。帧起始分隔符 (SFD) 字段长度为一个字节, 其值固定为0x A7, 标识一个物理帧的开始。收发器接收完前导码后只能做到数据的位同步, 通过搜索SFD字段的值0x A7才能同步到字节上。帧长度由一个字节的低7位表示, 其值就是物理帧的长度。而且物理帧的负载长度是可变的, 称之为物理服务数据单元 (PSDU) , 一般用来承载MAC帧。

而对于Zig Bee技术来说, 其相对于IEEE802.15.4增加了逻辑网络、网络安全和应用软件, 从而更加适合于产品技术的一致化, 利于产品的互连互通。

b.通信传输模块及工作原理:

Zig Bee通信传输模块由Zig Bee传输模块及其外围设备组成, Zig Bee模块由Freescale公司产生的MC13192和MC9S08两个芯片所组成, 其中MC13192为射频和基带控制芯片, MC9S08为微控制芯片。而Zig Bee的外围设备由液晶显示器、键盘和MT8880组成, 其中液晶显示器负责显示各种所需要的界面, 键盘用来控制汇节点的操作, Zig Bee汇节点通信范围内的所有传感器节点进行通信联络, 当传感器节点有信息时, 则MC13192接收传感器节点的报警信息, MC13192和MC9S08之间通过串行外围设备接口SPI (Serial Peripheral Interface) 进行连接, 然后通过MC9S08所连接的外围设备MT8880将DTMF信号传送至CPU进行信息的处理。

2.2 Zig Bee的网络构建

首先我们通过图2了解一下Zig Bee的网络结构图:

在Zig Bee网络有两种网络设备类型, 即全功能设备 (FFD) 和精简功能设 (RFD) 。全功能设备业就是网络中的路由或中继, 其可以担任网络协调者, 形成网络, 让其它的全功能设备或是精简功能设备装置连结, 同时全功能设备具备控制器的功能, 可提供信息双向传输。而精简功能设备也就是网络中的终端结点, 只能传输信息给全功能设备, 或是从全功能设备接受信息。其只具有有限的功能来控制成本和复杂性, 在网络中也常常被用来作为终端设备图3即对这两种设备类型进行了比较:

对于Zig Bee网络来说, 其常见的有两种拓扑结构, 即星型拓扑和点对点拓扑, 每个Zig Bee网络至少需要一个全功能设备实现网络协调功能, 终端设备可以是精简功能设备用来降低系统成本。

Zig Bee采用自组织 (ad-hoc) 方式组网, 该架构被称为无基础构架的无线局域网 (Ad Hocireless LAN) , 这种架构对网络内部的设备数量不加限制, 并可随时建起无线通信链路。例如, 协调器一直处于监听状态, 当一个新添加的精简功能设备会被网络自动发现, 这时全功能设备会把精简功能设备的信息传送给协调器, 由协调器进行编址, 并计算其路由信息, 更新数据转发表和设备关联表等。若新添加到网络的是FFD, 则可直接把自身信息上报协调器, 并对周围的精简功能设备进行轮询, 记录它们的地址信息, 通知协调器更新路由, 此时新加入的全功能设备起到了一个桥梁的作用, 精简功能设备通过全功能设备和协调器进行间接通讯。这种分层结构, 便于管理, 增加了网络的透明度, 有利于发现并自动添加新入网设备。

在Zig Bee网络中, 所有设备均有一个64bit的IEEE地址, 可以分配一个16bit的本地地址减小数据包的大小。地址模式有两种:星型拓扑:网络号+设备标识;点对点:直接使用源/目的地址。协调器将参与地址的分配和记录工作, 在建立和启动网络过程中, 设置惟一的网络标识符以及每个节点都包含一个唯一的64bit IEEEMAC地址。这样做是基于保护个人隐私考虑的, 保证这种便携设备不会意外泄漏其标识, 而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。

为了避免Zig Bee的接入竞争, Zig Bee通过MAC层提供保证的时隙, 但只作为一种可选的“超帧” (Super Frame) 的组成部分提供。但是, 如果Zig Bee节点试图避免传送的信号与其它节点或其它无线电源的信号相重叠, Zig Bee节点会消耗额外的能量, 它们必须在发送信号之前侦听空中是否还有其它信号在传送。

2.3 Zig Bee技术的优势

如今, 各种近距离无线传输技术层出不穷, Bluetooth (蓝牙) 、Zig Bee、Wi—Fi、Wi MAX、无线USB、UWB等等, 竞争激烈, 各有千秋。但随着通信距离的增大, 设备的复杂度、功耗以及系统成本的增加, 相对于现有的各种无线通信技术, Zig Bee技术的低功耗、低成本、容量大、安全性高等诸多优势使其在激烈的竞争中逐渐脱颖而出。Zig Bee低成本、低功耗、低传输率、安全性好的特点, 使它很适合应用于对家用电器和小型电子设备的无线控制领域。

在家电控制领域, Zig Bee的目标是使家电实现自动化。通过使用Zig Bee技术, 使用者不用再拿着各种遥控器站在家电前进行操作。Zig Bee技术通过无线方式将各种电子和电器产品连接起来, 用户只需使用一个遥控器在规定范围内就可以操控各种家用电器, 而且遥控模块可嵌套在诸如手机和PDA之类的便携电子器件中, 用户只需在手机上设定相应的操作, 家电就会按照规定自动完成这些指令, 同时每个操作都会有反馈信息说明操作已完成。另外Zig Bee技术还有一些高端应用, 比如当房主在超市购物时, 可以发一条指令, 以了解冰箱中的牛奶、肉类和蔬菜的数量, 确定是否需要再购买。Zig Bee技术的这些优点将会给我们的生活带来极大的便利, 从而在真正意义上实现了我们常说的智能家居消费和家用自动化。

同时, Zig Bee无线可以组建大规模网络, 网络节点容量达到65535个, 具有非常强大的组网优势。此外Zig Bee具有价格低廉, 能耗低, 通信效率高等特点, 这使得其在是市场竞争中也具备了一定的优势。

3. Zig Bee的应用

3.1 Zig Bee在智能家庭无线网络系统中的应用

家庭无线网络是指在家庭范围内, 通过先进的无线网络技术将电脑、家电、安全、照明、娱乐、医疗监护系统互连, 实现数据共享和管理, 并以广域互联网为接口与外界交互信息的一种新兴的无线网络系统。

在这个网络系统中, 网络节点是指镶嵌在各种家电、灯具、安防监控单元、居室环境监控单元。而整个系统包括有具备多种通讯协议转换功能, 同时可通过以太网或程控电话网连接内外网和通过无线技术连同内网的网关, 具备无线通讯等接口的数字家电;配有无线接口、可远程报警的家用安防传感器设备;具备无线接口的家庭灯光控制器材;可进行防盗、报警等功能设备。

家庭无线网络具有灵活的网络拓扑结构、低成本和容易架设等有线网络所不具备的特点。已成为家庭数字化革命的重要组成部分, 这决定了未来广阔的发展前景。它也面临着技术上的挑战, 如怎样架设一个可靠的无线网络, 创建一个将不同设备互连的统一界面, 针对不同的客户搭建一个共同的开发平台等等。而通过Zig Bee网络实现信息设备、通讯设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、保安 (监控) 装置等设备互联, 使智能化、人性化的家居生活变成了现实。

家庭无线网络平台的实现:

Zig Bee是以IEEE802.15.4无线接收发射机标准为基础的, 同时, 也规定了无线通讯的网络技术、安全措施、应用接口以及应用技术。

在我国, 目前由海尔、春兰等12家集团公司构成的“国家家庭息平台结构体系总体组”在信息产业部和原国家经贸委的支持和指导下, 于2003年推出了基于互联网的《家庭网络系统技术规范》系列标准。本文所描述的平台就是基于国际Zig Bee标准规范和中国《家庭网络系统技术规范》系列标准而展开的。

尽管智能家庭的概念已经提出很多年了, 但是由于相应的通信技术及应用方面的发展速度缓慢, 智能家庭一直没有走向实用化。随着Zig Bee技术的出现, 使得智能家庭可能在未来的2到3年内走入人们的生活中。

通过Zig Bee网络, 我们可以远程控制家里的电器、门窗等。下班前可以在路上就打开家里的空调;下雨的时候可以远程关闭门窗;家中有非法入侵时可以及时得到通知;方便的采集水电煤气的使用量;通过一个Zig Bee遥控器, 控制所有的家电设备。

3.2 Zig Bee的其他应用

在其他无线通信技术不断追求高速率远距离的今天, Zig Bee却反其道而行之, 向着低速率近距离的方向迈进, 其目的就是为了大幅降低无线终端的成本及功耗。因为只有这样, 才能实现其“无所不在”的目的。

Zig Bee技术对传感器有着很好的支持, 可以在单芯片内实现传感器数据的采集、处理、传输。以往, 即使是为了采集传输门窗关闭状态这样的简单信号, 最起码也需要一个8位单片机外加无线传输模块来搭建一个最小系统。而在今天, 内藏CPU的Zig Bee芯片可以使这些东西都集中在单个芯片内。不仅如此, 像嵌入式操作系统、TCP/IP协议栈以及功能多样的应用程序, 以及面向传感器领域的多通道AD/DA转换器、多种外围接口等等都可以集成在内。

低功耗是Zig Bee技术最具优势的地方。在通信状态, Zig Bee终端耗电在几十m W左右, 在省电模式下, 耗电仅仅几十u W, 一节干电池可以工作几个月到1年。

基于以上优势, Zig Bee不仅向终端消费者提供了价格低廉、操作简单的Zig Bee产品, 同时也为产品开发商提供了低开发成本、高开发效率的一站式解决方案。

Zig Bee技术主要应用在短距离无线网络通信方面。不远的将来, 在很多领域里都可以看到Zig Bee的身影:

a.智能建筑

通过建立完备的Zig Bee网络, 智能建筑可以感知随处可能发生的火灾隐患, 及早提供相关信息;根据人员分布情况自动控制中央空调, 实现能源的节约;及时掌握酒店客房内客人的出入信息, 以便在突发事件时及时准确地发出通知。

在机场, 持有Zig Bee终端的乘客们可以随时得到导航信息, 比如登机口的位置, 航班的变动, 甚至附近有什么商店等等。

b.工业自动化领域

在工业自动化领域, 人们可以通过Zig Bee网络实现厂房内不同区域温湿度的监控;及时得到机器运转状况的信息;结合RF标签, 可以方便的统计库存量.

c.医疗领域

在医院, 时间就是生命, Zig Bee网络可以帮助医生和患者争取每一秒的时间。Zig Bee网络可以帮助医生及时准确地收集急诊病人的信息和检查结果, 快速准确的作出诊断。戴有Zig Bee终端的患者可以得到24小时的体温、脉搏监控;配有Zig Bee终端的担架可以遥控电梯门的开关。

3.3 未来的发展方向

2004年底成立之初到2006年中, Zig Bee联盟自已经自最初的13家公司发展到有全球150多家知名厂商加盟的商业团体。在众多厂商的追捧之下, Zig Bee技术呈现出蓬勃的发展态势。

未来的Zig Bee, 将向着以下几个方面发展:

a.更廉价、更省电

根据最新的信息, 一节电池工作3年的Zig Bee产品已经面世。在日本的神户机场, 所有Zig Bee节点仅仅依靠一小块太阳能电池板供电。而随着应用的不断增加, 更大的产量必然导致更低廉的价格。

b.IPv6和Zig Bee的结合

IPv6拥有巨大的地址空间, 可以为每一个Zig Bee节点分配一个全球唯一的网络地址, 同时提供安全的通信保障和优良的Qo S保证。IPv6和Zig Bee的结合是一个必然趋势。走在国内通信领域前沿的科技型企业--上海爱吉信息技术有限公司, 在IPv6协议栈开发和Zig Bee嵌入式产品的研发上都取得了相当的成果。在最近的东京嵌入式产品展示会上, 爱吉公司的Zig Bee体温脉搏感知手表得到了与会者的极大肯定。

可以预见, 在未来的几年之内, Zig Bee产品将以各种各样的方式走向我们, 成为我们工作生活中不可或缺的一部分。

4. 结论

Zig Bee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术, 是一组基于IEEE批准的802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术, 主要适合于承载数据流量较小的业务, 可嵌入各种设备中, 同时支持地理定位功能。其目标市场是工业、家庭以及医学等需要低功耗、低成本无线通信的应用。相对于现有的各种无线通信技术, Zig Bee技术是最低功耗和成本的技术

作为一种标准和基础技术, Zig Bee已经受到了自动控制市场的关注, 在家庭、楼宇自动化等应用中被寄予厚望。Zig Bee关键是要找到切合市场需求的定位和应用模式, 才能避免像蓝牙那样在相当一段时间里都处于叫好不叫座的尴尬境地。

尽管目前Zig Bee似乎还有些遥不可及, 但是随着Zig Bee技术的不断更新和普及, 可以预见, 在未来的几年之内, Zig Bee产品将以各种各样的方式走向我们, 成为我们工作生活中不可或缺的一部分。

参考文献

[1]ZigBee Alliance.Catch the buzz on ZigBee[DB/OL].http://www.ZigBee.Org/en/resources, 2007-02-11.

[2]Kevin Dankwardt.Real-Time and Linux[J].Embedded Linux Journa 1, 2002, issue7:29-32.

[3]J Bate.real-time embedded system[J].Computing&Control Engineering Journal, 2002, 13 (4) :154-156.

[4]朱向庆, 王建明.zigbee协议网络层的研究与实现[J].电子技术应用, 2006, 1:87-89.

无线传输Zigbee 篇3

在煤矿企业安全生产工作中, 煤矿应急救援是极为重要的组成部分之一, 不仅和国家稳定发展有关, 还和国际政治经济生活有关, 尤其在中国加入世界贸易组织后, 煤矿应急救援工作更是占据着特殊性地位[1]。而在煤矿应急救援工作中采用Zig Bee无线传输技术的主要目的是降低事故伤亡率与财产损失率, 并向地面控制中心发出报警信号, 以及时提供煤矿安全事故现场的原始资料, 这对于下一步应急救援方案的制定来说可起到很大的推动作用。

1 中国煤矿安全生产背景与应急救援背景

1.1 煤矿安全生产背景

根据有关调查数据显示, 中国煤炭生产量与消费量居于世界首位, 但在安全生产方面仍存在许多不同程度的问题。“十五”期间, 中国相关部门就开始针对煤矿安全生产问题采取一系列有效性措施, 例如加大国债资金投入力度、改造煤矿安全生产技术、增强煤矿瓦斯治理能力等, 以进一步完善和提高煤矿安全生产水平。通过上述有效性措施的施行, 中国煤矿安全事故伤亡率呈逐年减少趋势, 而煤矿安全生产也进入稳定期, 但其形势仍十分险峻。

1.2 煤矿应急救援背景

展开煤矿应急救援工作时, 必须以安全、预防为核心, 只有这样才能尽快实现煤矿的安全生产。根据中国有关部门规定的要求, 建立行之有效的预警机制和应急机制, 以强化政府的实际应对能力。中国煤矿安全监察局和安全生产监督管理总局一定要将“五项要素”贯彻落实到各项安全生产工作中, 并依照“六个支撑体系”对整体工作思路进行科学规划, 其中煤矿应急救援系统的建立显得尤为重要。目前, 中国煤矿应急救援工作虽然得到了高效、高质的发展, 其安全事故伤亡率与财产损失率也得到了显著降低, 但其在设备、技术、系统建立、科学管理和基础理论等方面仍无法满足现代化煤矿安全生产形势提出的各项需求, 这严重制约了中国煤矿事业的健康、持久、稳定发展[2]。

2 国内外煤矿应急救援的研究现状与发展趋势

2.1 国外煤矿应急救援的研究现状与发展趋势

每个国家都很注重煤矿应急救援工作, 其中美国、德国、波兰等国家具有较为完善的煤矿应急救援系统, 具体表现在以下几个方面:a) 美国。将78支煤矿救护队分别建于13个州, 并把匹兹堡安全技术中心和健康技术中心作为主要部分, 对技术支持系统进行合理建立与完善, 同时还要组织建立煤矿紧急救援队, 注意救护队的经费来源、组织形式、救灾程序、装备与培训等方面都必须按照法律法规提出的要求执行;b) 德国。设有煤矿救护委员会, 总共包括72个事故抢险救护站、54个救护站与5个救护总站, 主要负责煤矿和工厂的所有应急救援工作;c) 波兰。在贝托姆煤矿救护总站设置三级煤矿救援组织, 这不仅是煤矿应急救援技术支持系统的核心, 还是煤矿应急救援的关键。

2.2 国内煤矿应急救援的研究现状与发展趋势

中国总共设有1 970支煤矿救护队伍, 其中1 445支为煤矿救护小队, 449支为救护中队, 76支为救护大队, 14 328人直接从事煤矿安全事故应急救援工作, 而这些救护人员均已广泛分布在中国21省、自治区和直辖市。现阶段, 中国煤矿安全事故抢险救灾工作均得到了显著发展, 但其应急救援工作却存在许多不同程度的问题, 具体表现在以下几个方面:a) 由于煤矿应急救援工作大多采用通信设备进行语音交流和沟通, 所以信息量十分匮乏, 最终导致井下状况无法做出全面且系统的判断;b) 现有煤矿救护队伍缺乏整体性和团结性, 加上协调系统不完善, 使得资源出现大量不必要的浪费, 直接影响了煤矿的整体救灾质量;c) 没有充足的煤矿救援力量, 而大部分中小煤矿企业与非煤矿企业也没有做专业救护队伍的建立;d) 煤矿救护工作存在资金欠缺、设备落后、通信阻碍严重、应对能力不足和队伍不稳定等诸多缺点。上述这些问题直接导致上级指挥人员、井下救护人员与协调人员之间出现信息反馈严重阻滞现象, 使得地面指挥中心与煤矿救援基地不能及时了解灾区的实际状况, 因而也无法制定行之有效的救灾方案, 这不仅阻碍了救援工作的调度, 还耽误了最佳救援时机, 严重时甚至会显著增加事故伤亡率和财产损失率[3]。针对这一情况, 中国煤矿企业必须高度重视各项应急救援工作, 对过往经验进行归纳总结, 以进一步完善救灾技术, 提高救灾工作的整体效率, 推动中国煤矿事业不断向前发展。

3 Zig Bee无线传输技术在煤矿应急救援中的应用

3.1 Zig Bee无线传输技术

利用65 000个无限数传模块相互组合而形成的无线数传网络平台即称为Zig Bee无线传输技术。Zig Bee无线传输技术与移动通信的GSM网及CDMA网相似, 而1个移动网络基站则相当于每一个Zig Bee网络数传模块, 如果处于相同的网络范围内, Zig Bee无线传输技术与移动网络之间就可以展开通信作业。Zig Bee无线传输技术的各网络节点间距可根据需要做任意扩展, 短至7 500 cm, 长至几千米。除此之外, Zig Bee网络还能够与其它不同类型的网络相互连接在一起, 所以Zig Bee无线传输技术目前已在农业自动化、家庭自动化、汽车自动化、医疗护理、遥测遥控和工业等方面得到普及使用。

3.2 合理设计Zig Bee安全监测体系

井下与地面是安全检测系统的重要组成部分, 而煤矿安全监测中心则设于地面部分, 主要负责监测整个矿井的所有数据, 包括VPN网关、监控主机和备份主机等多种设备。利用Internet将煤矿安全监测中心和地方安监局有效连接起来, 并对煤矿井下瓦斯浓度等各项数据进行实时动态监测。传感器网络节点与路由器结合形成井下部分, 其中路由器负责地面数据交互工作和井下数据汇集连接工作, 如图1所示。

按照传感器节点位置与不同使用要求, 将传感器网络节点有效划分成以下三种角色:a) 传感器节点。通过数据采集与之相适应的模块后, 再收集四周环境的所有数据, 最后利用通信路由协议把数据输送至簇首节点中;b) 网络协调器。对各工作面无线路由器数据和各簇节点数据之间的交换工作进行有效协调[4];c) 簇首节点。对该簇内各节点采集到的相应数据进行收集, 待数据融合处理结束后, 输送至网络协调器中。

3.3 Zig Bee安全监测系统的运用宗旨

在煤矿应急救援过程中, 运用Zig Bee安全监测系统的宗旨是:a) 采集现场环境的实际状况, 例如空气、温度与湿度等气体的具体含量, 以正确预判环境状况;b) 合理科学地定位井下救护人员的正常情况与异常情况;c) 对救护人员的血压、心跳及温度等各种生命特征进行有效采集, 以确保井下救护人员的生命安全。

4 结语

在煤矿应急救援工作中运用Zig Bee无线传输技术, 不仅可以对井下作业状况进行实时监控, 还可以及时向地面监控中心提供所采集到的瓦斯浓度与温度等数据, 以便制定出一份行之有效的应急救援方案, 降低煤矿安全事故产生率和财产损失率, 实现经济效益和社会效益的最大化, 这对于中国煤矿事业的可持续发展来说可起到良好的推动作用。

参考文献

[1]张东, 李长录, 徐洋, 等.基于ZigBee技术的煤矿安全监测系统设计[J].煤矿安全, 2010 (07) :77-80.

[2]张亚, 陈君兰.应用ZigBee技术的井下机车运输监控系统[J].煤矿机械, 2010, 31 (06) :146-148.

[3]冯巧玲, 郑新华.基于Zigbee的无线粮情监控网络中测量节点的设计[J].微型机与应用, 2010 (07) :65-67.

无线传输Zigbee 篇4

放样[1]是工程测量中的一项重要工作, 它的目的是将所设计的工程建筑物在图上的位置、形状、大小与高程在实际地方标定出来, 以作为施工的依据。现代施工放样主要采用电子全站仪显示预先输入的放样值与实测值之差以指导放样, 确保建筑与设计图相符。在寻找放样点的过程中, 由于跑点人员不知道自己的具体位置与放样点的差距, 因此需要观测者根据全站仪显示的数据, 通过语言或手势不断通知跑点人员还差多少及如何移动。当天气不好或距离较远时, 观测者和跑点人员之间的交流将十分困难。采用这种方式放样一个设计点往往需要来回移动目标, 且需要2～3人同时相互配合才能完成, 大大降低了劳动效率, 影响了施工进度。

ZigBee技术的出现使施工放样技术有了突破性的进展, 它不但克服了传统放样法的缺点, 而且具有观测时间短、精度高等优点[2]。本文介绍一种放样测量中的ZigBee无线传输系统设计方案:全站仪和跑点人员组成一个简单的无线传感器网络[3], 将电子全站仪测量、计算后的数据通过无线方式传输给跑点人员, 从而实现快速、精确放样。

1放样测量过程

以拓普康GTS-720型电子全站仪为例, 说明放样测量过程:

(1) 安置仪器, 新建工程项目, 录入放样数据文件;

(2) 设置测站点;

(3) 设置后视点, 确定方位角;

(4) 选择工程放样模式 (按坐标放样或按距离、方位角放样) ;

(5) 通过点号调用内存中的坐标值或直接键入坐标, 输入所需的放样坐标, 开始放样;

(6) 指挥棱镜前后左右移动, 放样出准确位置。

通过对电子全站仪设定放样模式, 开始放样后, 全站仪以跑点人员所拿棱镜作为目标点, 计算并显示放样点与目标点的差值, 观测者以此指挥跑点人员移动方位及程度, 以取得最佳目标点作为放样点。

2ZigBee无线传输系统总体设计

ZigBee无线传输系统结构如图1所示。系统采用星形网络结构, 网络协调器节点与电子全站仪相连, 精简功能设备 (Reduced-Function Device, RFD) 节点由跑点人员手持。首先将全站仪测得的放样点与目标点的差值通过串口传给网络协调器节点, 再通过无线方式将数据传输给RFD节点并显示在液晶显示器上。跑点人员不需经常留意观测者, 只要按照显示器上的指示移动目标点即可找到最佳放样点;观测者也不需要指挥跑点人员, 只要随着目标点的移动调整全站仪即可。

3ZigBee无线传输系统硬件设计

3.1 ZigBee节点组成

ZigBee节点主要包括处理单元、显示单元、通信单元以及电源单元, 如图2所示。处理单元由嵌入式系统构成, 包括处理器、存储器等, 负责控制整个ZigBee节点的操作;显示单元由LCD显示器及外围电路构成, 负责显示全站仪所测得的目标点与放样点的差值;通信单元由无线收发模块和串口通信模块组成, 负责与其它ZigBee节点进行无线通信、交换控制信息和收发数据;电源单元通常采用微型电池, 这里采用9 V电池为网络节点提供运行所需的能量。

3.2 网络协调器节点

射频收发芯片采用Chipcon公司生产的CC2430[4]。它是该公司开发ZigBee平台专用的射频发射和接收芯片, 采用低功耗、增强型8051内核, 仅需配置很少外围器件就可以工作在2.4 GHz频段, 其调制方式为O-QPSK, 数据速率达250 kbit/s, 码片速率达2 Mchip/s, 灵敏度可达-91 dB·m。

LCD选用具有128×64点阵的LCM12864D型液晶显示屏。由于该LCD硬件简单, 处理器接口富裕, 因此显示屏与处理器之间采用并行接口方式。

网络协调器节点电路如图3所示。电路核心部分是CC2430芯片, 外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路、电源电压退耦及滤波等部分。32 MHz晶振电路由电容C2、C3和石英谐振器Y1组成, 提供芯片射频收发器本振信号和处理器本振信号;32.768 kHz晶振电路提供休眠模式定时器本振信号。射频输入/输出匹配电路由电感L1、L2、L3和电容C13组成, 并与1根印刷电路板微波传送带相配合, 匹配50 Ω射频输入/输出阻抗。在模拟和数字供电连接处均接有若干电容, 起到耦合、电源滤波等作用, 以提高电路工作的稳定性。液晶显示电路由J1及外围连接构成, 实现测量差值的可视化。U2和J4为RS232串口部分, 完成RS232电平和TTL电平之间的相互转换, 用于全站仪和网络协调器节点之间的通信。由于全站仪自身带有与计算机通信的RS232串口, 为了方便使用并且不改动全站仪的硬件, 在网络协调器节点中采用与计算机串口相同的孔式DB9接口。U4和外围电容组成电源转换电路, 将9 V电源转换为3.3 V, 为电路供电。

3.3 RFD节点

RFD节点电路如图4所示, 其中核心部分与网络协调器节点电路核心部分相同。

由于本节点加有电源为5 V的显示模块, 因此电源转换稳压电路添加U3单元。用户接口由1个发光二级管和2个按键组成, 其中V1为节点入网指示灯, 当节点上电时灯亮, 节点成功入网后指示灯灭。S1和S2分别为电源开关和系统复位开关。三极管与蜂鸣器组成的电路部分用于提示RFD节点接收信息, 当接收到新的坐标数据信息时, 蜂鸣器蜂鸣提示0.5 s。

4ZigBee无线传输系统软件设计

软件部分主要包括网络协调器节点的发送程序和RFD节点的接收程序。系统采用Chipcon公司的完整ZigBee协议栈, 只需进行相关网络参数的定义就可以使用, 大大缩短了开发周期。

4.1 网络协调器节点的发送程序

网络协调器节点发送程序流程如图5所示。系统上电后, 发送程序首先初始化CC2430及ZigBee协议栈, 完成后发光二极管闪烁一下, 表示程序进入等待状态并开始监测无线信号, 查看是否有节点申请加入网络, 如果有则给该节点分配网络号。网络协调器节点收到串口发送来的数据后将其发送给RFD节点, 在实际工作中, 平均每20 s就会有一次数据传输。当节点添加成功后, 若2 min内串口没有接收到数据, 则通知RFD节点进入睡眠状态, 同时网络协调器节点也进入睡眠状态。网络协调器休眠一段时间后醒来, 并检测是否需要再次进入睡眠状态。

初始化网络协调器节点后在应用层调用NLME_NETWORK_FORMATION.request原语, 发出建立网络请求, 参数定义如下:

#define LRWPAN_DEFAULT_START_CHANNEL 11 //定义频号

#define LRWPAN_PANID 0x1347 //定义网络号

……

网络管理层请求MAC层执行能量监测扫描, 在所反映的信道上执行主动扫描;完成后再从MAC层的返回信号中选择一个合适的信道, 确保与应用层所确定的PANID参数不发生冲突。ZigBee无线传输系统工作在2.4 GHz频段上, 传输速率为250 kbit/s, 频号定义为11。网络管理实体将选择0x0000作为16位的MAC地址, 并告知MAC层。在协议栈中定义的数据帧格式如表1所示。

目的地址和源地址为1个字节, 本系统通常只有两个节点通信, 故设源节点为0, 目的节点为1。标志位占1个字节, 用于表示当前数据帧的类型。当该字节最高位为1时, 表示当前数据帧是数据序列中的一帧;当第二位为1时, 表示当前数据帧是超时重传的数据帧;当第三位为1时, 表示当前数据帧是时间校对的数据帧。帧校验为CRC校验。

4.2 RFD节点的接收程序

在RFD节点中, 设置与网络协调器节点相同的工作频率、网络号及数据帧格式。RFD节点的接收程序流程如图6所示。

首先初始化RFD节点, 然后调用aplJoinNetwork () 函数加入已正常工作的网络协调器。RFD节点向网络协调器发送自己的64位物理地址。网络协调器收到后, 给RFD节点分配16位端网络地址, 这样RFD节点就成功加入网络。此时, 发光二极管熄灭, 节点处于等待接收数据状态。RFD节点接收到网络协调器发送的数据后, 通过LCD将其显示出来, 同时蜂鸣器提示接收到新数据, 以免跑点人员误将旧数据当作当前目标点的信息。

5结语

目前放样测量中的ZigBee无线传输系统电路板已经开发完成, 处于试验阶段。用PC机模拟电子全站仪发送数据, ZigBee节点响应迅速, 误差率低。将ZigBee无线传输系统应用于放样测量工程时, 可以在无线网络中加入多个RFD节点, 当一个跑点人员因事耽搁时, 将其它RFD节点加入网络, 进行另外一点的放样测量工作;还可增加ZigBee节点的射频功率, 从而加大无线数据的传输范围。

参考文献

[1]宁津生, 陈俊勇, 李德仁, 等.测绘学概论[M].武汉:武汉大学出版社, 2004.

[2]李文仲, 段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2007.

[3]孙利民, 李建中, 陈渝, 等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社, 2005.

[4]陈方华.基于ZigBee的煤矿井下无线传感网络的研究[D].淮南:安徽理工大学, 2009.

无线传输Zigbee 篇5

本文介绍了利用ZigBee技术与GSM数据传输相结合的方式设计的无线智能家居控制系统。基于调研结果和家居的发展特点和现状可以看出，虽然目前智能家居系统有了一定的发展，但总体还处于市场展初期，而随着经济的发展，信息技术的进步，人们对家庭环境必然提出越来越高的要求。家居控制系统作为智能家居的一个重要组成部分，也将起到更加重要的作用。本文研究建立一个对家居环境进行远程控制，实现家居智能化的系统，其目的在于突破地域和环境上的限制，实现集中和高层监控，最终实现生产资源和社会资源的优化配置。

智能家居就是通过综合采用先进的计算机、通信和控制技术，建立一个由家庭安全防护系统、网络服务系统和家庭自动化系统组成的家庭综合服务与管理集成系统，从而实现全面的安全防护、便利的通讯网络以及舒适的居住环境的家庭住宅。在智能家居系统中，将无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势。由于G S M网络在全国范围内实现了联网和漫游，具有网络能力强的特点，用户无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵建网费用和维护费用。同时，它对用户的数量也没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本大，维护费用高，且网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。比起传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势。利用G S M短信息系统进行无线通信还具有双向数据传输功能，性能稳定，为远程数据传送和监控设备的通信提供了一个强大的支持平台。ZigBee并不是家庭控制网络的惟一选择，目前用于设计无线传感器网络的主流网络协议有Bluetooth, ZigBee和UWB等。但诸多替代方案在某个方面远不如它。比如蓝牙这项越来越流行的短距离无线网络技术实施起来成本高而且它根本无法支持由电池供电的小设备长年使用，加上蓝牙的地址空间有限而导致设备开启延迟等特点使得ZIGBEE技术在智能家居中成为首选技术。

2 Zigbee技术概述及主要优点

2.1 Zigbee技术概述

相对于现有的无线通信技术, ZigBee是一种新兴的近距离、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术, 符合IEEE802.15.4协议，是IEEE工作组专门为家庭短距离通讯制定的新标准。ZIGBEE网络中的设备分为FFD（全功能设备）和R F D（简化功能设备）两种，其中F F D设备也可作为协调器使用。FFD是具有路由与中继功能的网络节点，可以与R F D节点通信也可以与别的F F D节点通信；R F D节点作为网络终端节点，相互间不能直接通信，只能通过F F D节点发送和接收信息，不具有路由和中继功能。

2.2 ZIGBEE技术主要优点

1) 省电：由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式, Zigbee技术可以确保2节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。

2) 可靠：采用了碰撞避免机制，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。M A C层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

3) 成本低：模块的初始成本估计在6美元左右且Zigbee协议是免专利费的。

4) 时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms。

5) 网络容量大：一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。

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

7) 有效范围小：有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。

8) 工作频段灵活：使用频段为2.4 G H z、8 6 8 M H z (欧洲) 及9 1 5 M H z (美国) ，均为免执照频段。

3 无线智能家居控制系统的实现

3.1 无线智能家居控制系统构建

此设计如图1。它是由很多的无线传感器节点、汇节点、DSP控制中心模块和GSM数据传输模块组成的控制系统。通过DSP控制中心模块外接GSM模块，实现通过手机短信息控制家庭内部的电器设备。汇节点和传感器节点之间通过Zigbee技术实现无线的信息交换，DSP控制中心模块获取采集到的相关信息，然后进行处理，用户通过G S M网络实现对家电的有效控制和管理。煤气表、温度表、灯、暖气、空调等电器通过串行口或其他通讯口分别与ZIGBEE RFD模块进行有线连接通信，各设备的数据经由ZIGBEE RFD模块转化为Z I G B E E通信协议包，传给就近的FFD模块，FFD模块根据表驱动路由算法选择最优的通信路径，通过其他的FFD模块以多跳通信的方式把数据包传到ZIGBEE协调器。ZIGBEE协调器收到数据包后，一方面按原路径返回收到确认信息，以至到达发送数据的RFD模块，实现握手通信，完成一次完整的ZIGBEE无线通信。否则RFD模块继续发送数据，至到收到协调器返回的握手信息；另一方面，ZIGBEE协调器把收到的数据传给DSP控制中心模块，实现数据的采集和管理。

3.2 各系统模块功能概述

3.2.1 DSP主控模块

DSP主控模块依照一定的通信协议与用户进行短信息的收发。DSP主控模块电路接收并解释短信息指令，通过ZIGBEE网络对各功能单元模块进行控制。在异常时按照预设的号码进行短消息报警及发送异常图片。

3.2.2 短信平台模块

短信平台模块主要提供数据传输功能，外界传输的媒介为G S M网络。本文主要是利用它的数据传输功能实现系统和用户间的通信。DSP主控模块是这部分的核心，它承担着短信息的接收和发送、短信息解释、命令的发送，对图片的压缩以及传输等任务。

3.2.3 通信接口电路设计

短信平台模块接收信息后，需由DSP主控模块来解释进而去执行相应的命令。D S P主控模块和短信平台模块及Z I G B E E F F D之间通过串口进行通信。各家电设备与ZIGBEE RFD模块通过串口通信。

3.3 ZIGBEE网络采用需求时唤醒的工作模式

本网络采用了基于需求时唤醒的工作模式。这种模式可以减少信息上报的时的碰撞概率，延长网络的寿命，减少了功耗。ZIGBEE在大部分时间处于睡眠状态的设备之间不太频繁地传送简短信号。理论上的最大数据速率只有每秒250千比特，不过仍非常快，足以尽量缩短传送器或者接收器的工作时间。两个设备之间的典型通话一般只用几毫秒，这样传送器可以迅速回到睡眠状态。

4 结束语

本文介绍的基于G S M数据传输的Zigbee无线智能家居控制系统，用户通过GSM网络即可实现对家电的有效控制和管理。而且其具有低成本、低功耗、较远的覆盖范围及通用性的特点，有很广阔的发展前景。

参考文献

[1]顾瑞红, 张宏科.基于ZigBee的无线网络技术及其应用[J].电子技术应用.2005.6

[2]姚引娣.基于ZigBee的无线管理系统设计[J].电子技术应用.2007.1

[3]宋珍伟, 陈坚等.基于网络技术的远程智能家居系统[J].科技广场.2005.10:9798

[4]刘渊, 张飞, 杨万全.数字家庭网络中的无线技术分析[M].四川省通信学会2005年学术年会论文集.2005.182185

无线传输Zigbee 篇6

关键词：ZigBee,GPRS,油井参数采集,无线传感器网络

1 引言

目前应用于实际生产的石油生产远程采集监测系统,在传输距离、网络覆盖范围、系统能源消耗、系统设计成本、维持系统运行费用以及相关技术的成熟度的限制等诸多方面,存在着不足,给石油生产远程监测系统的设计、应用带来了很大困难。本论文通过研究Zig Bee技术的自组网功能,将无线网络和传感器技术相结合,构建油井远程监控系统,实现节点间的自组网传输,并结合GPRS移动通信技术,可大大降低节点建设成本,完成对油井数据的采集和远程传输,实现油田生产管理和油井、管线维护监控的信息化、自动化,进一步推动了油田数字化。解决了因现场数据采集点所处环境偏远恶劣、地势复杂,铺设固定通信线路成本过高的问题,具有实际应用价值。

2 油井无线传感器网络设计

基于Zig Bee的油田油井采集系统及远程测控系统采用集散式控制结构。采集系统中的传感器采集节点能够采集的油井参数主要包括悬点载荷、电潜泵井及螺杆泵井的电机电流、电压、功率因数、井口油套压、井口油压、井口温度、油温、冲次、冲程、位移[1]。

传感器采集终端采集的数据通过Zig B ee网络传送到协调器节点,协调器节点通过GPRS模块发送,经过GPRS协议与TCP/IP(网络通信协议)协议转换,完成与Internet的连接,监控中心可以通过Internet网络进行信号的收集,完成数据的远程采集与传输过程。如图1所示:

3 硬件系统设计

Zig Bee网络包括数据采集节点和信息汇聚节点。

3.1 无线传感器采集节点结构设计

数据采集节点与分布于油井抽油机的各种传感器数据采集设备相连,主要负责采集现场各项油井参数,并加以处理后通过Zig Bee无线网络发送。主要由传感模块、电源模块、数据处理存储模块和无线通信模块组成(见图2)。数据的处理及存储由芯片CC2430主控芯片实现。

无线传感器节点要完成收集采集的信息、无线网络的加入、以及无线数据的发送的任务[2]。

MCU定时从睡眠模式中醒来,启动传感器模块,进行数据采集[3]。为了增强数据信息传输的准确性,该系统采用抗干扰能力强的电流信号作为采集传输信号。模拟电流信号直接送至CC2430的A/D接口,电压信号通过信号转换电路转换为电流信号送至CC2430的A/D接口。信号转换电路如图3所示。

信号转换完成后,MCU将采集到的数据、电源能量信息等进行帧封装。IEEE 802.15.4规定Zigbee协议的帧结构由数据模式、目标地址、数据长度、数据信息与校验和五部分构成。如图4所示。“数据模式”、“目的地址”、“数据长度”各占用一个字节。其中“目的地址”表示此帧要发送的目的位置,即网络节点号;“数据长度”表示该帧中数据信息的长度;“数据信息”表示要传送的命令或有效数据,它所占用的字节数由所发送的数据长度决定;“校验和”也占用一个字节。

本系统的通信协议帧结构是建立在IEEE 802.15.4规定的Zigbee协议的基础之上的,我们只对数据信息字段进行设计。将“数据信息”字段划分为“节点信息”、“功能编码”、“数据”三部分。“节点信息”字段中低四位为RFD节点号,高四位为FFD节点号。如图5所示。根据低四位将数据帧发送到相应的RFD,RFD再通过高四位编码将数据帧发送到对应的FFD,即信息汇集到网络协调器。功能编码字段分为两部分内容:方向位、功能类型。本系统功能可分为上行和下行,方向位即决定了这一点。功能类型可以区分传输的是采集到的哪类数据。数据字段存放采集到的数据[4]。

3.2 网络协调器的设计

信息汇聚节点即为网络协调器。主要用于接收采集节点采集的数据,进行上报并将其进行融合处理。通过GPRS模块传递到Internet网,实现监控和实时采集。油井采集终端采集到的数据通过Zig Bee无线网络传送到协调器,协调器被称为中心控制节点,它将采集终端采集的数据进行汇聚,通过协调器内置的嵌入式处理器进行处理以及协议的封装。然后发送到GPRS网络[5]。设计框图如图5所示。

4 系统软件设计

传感器网络管理的软件主要分为三个部分:Zig Bee节点的数据采集和传送模块、网络协调器数据接收和发送模块以及服务器控制模块[6]。

4.1 数据采集节点软件设计

采集节点软件部分要完成油井数据的采集,数据处理与发送等功能。为降低电源消耗,采集节点采用睡眠唤醒机制,满足电池供电的要求。考虑到油井野外作业,电池不易经常更换,程序设计了在没有收到时钟信号的唤醒命令之前,采集节点的收发模块处于睡眠状态,这样延长了电池的使用寿命,节约成本。程序流程图见图6。

4.2 网络协调器节点软件设计

Zig Bee协调器负责建立一个网络。节点上电时,进行有效的初始化。然后进行信道查询,选择合适的信道建立一个无信标网络,并设置PAN IP,等待终端节点或路由的加入网络后,接收终端节点发送来的传感器数据信息。接着实现GPRS的连接,并在GPRS连接成功后,进行网络校时[7]。协调器将收到的采集信息的数据帧发送至监测中心。

5 结束语

探讨了基于Zig Bee无线组网技术和GPRS移动通信技术的无线传感器网络的构建,将其应用在油田生产中。该系统具备了Zig Bee技术的组网速度快、成本低、功耗小、网络结构简单等特点,结合GPRS瞬间上网、永久在线、快速传输、按量计费等优点,可以有效的对油井各参数进行采集和传输。本设计的优点在于网络组建简单、一次性构建成本低、扩展性强、灵活性大,能够有效地提高油田生产效益。为实现油井参数实时远程采集、传输和监控奠定了理论与实验基础。具有较好的研究价值和应用前景。

参考文献

[1]吴美文,赵建平.基于ZigBee技术的油田示功参数监控系统[J].电子技术,2009,(405):19-21.

[2]田亚.基于ZigBee无线传感器网络系统设计与实现[D].上海:同济大学,2007.

[3]张瑛瑛,朱双东.基于ZigBee的数据采集系统[J].宁波大学学报,2009,22(3):313-316.

[4]ZHOU YING,LI HONGSHENG.Application of Re-mote Real Time Monitor System on oil well[A].Initernational Conference on Electronic Measurement&Instruments(C)(ICEMI’2005)vol.5;20050816-18;Beijing(CN),2005,P.5.559-5.563.

[5]韩冰,李芬华.GPRS技术在数据采集与监控系统中的应用[J].电子技术,2003,30(8):26-29.

[6]刘建平.基于GPRS的无线数据传输模块的设计[J].信息通信,2009,(2):48-50,63.

无线传输Zigbee 篇7

关键词：ZigBee无线网络,北斗卫星,农田数据采集

0 引言

2010年底, 我国人均耕地面积已不足0.1公顷[1], 农田又由于各种原因不便于人员进行直接管理。而北斗和无线传感网是转变农业生产方式的重要载体[2]。从2003年开始, 中国已经开始研发基于北斗卫星的综合信息服务平台[3], 用现代化理念引领农业系统[4]。目前北斗已具备定位、授时、报文等功能[5]。因此, 在基于北斗导航系统短报文通信和Zig Bee网络的基础上设计的北斗实时农田采集与传输系统可以很好地解决以上问题, 节约人力资源的同时, 又提高了农田生产效率。另外由于北斗单次通信量为78.5 B, 本系统采用多种压缩算法融合实现数据高效无损传输。

1 系统总体构架设计

基于北斗和Zig Bee的农田数据采集与传输系统由Zig Bee传感终端节点、Zig Bee协调模块、北斗模块、嵌入式Linux显示上位机四部分组成。Zig Bee传感终端节点采集来自传感器的数据, 并将数据通过Zig Bee星型网络传至Zig Bee协调模块, Zig Bee协调模块对数据进行压缩打包添加北斗头协议后通过北斗模块将数据传至上位机实时显示。图1是基于北斗和Zig Bee的农田数据采集与传输系统的总体架构。

其中北斗模块包含北斗指挥机和北斗用户机, 北斗指挥机与上位机相连, 接收来自下属用户机传来的数据;用户机与Zig Bee协调模块相连, 接收来自Zig Bee协调模块传来的数据。用户机可有多个, 分布在跨度较大的农田区块, 方便实现一台上位机实时采集显示多块农田数据, 以追星者CDT-442型用户机为例, 一台指挥机最多可控制下属99台用户机。

2 系统硬件设计

2.1 Zig Bee传感终端节点的硬件设计

Zig Bee终端节点担负着与传感器设备连接、接收传感器的模拟信号并把其转换为数字信号和发射数据信号至Zig Bee协调节点的任务。为了完成数模转换的任务 (部分传感器输出数字信号, 可直接接入I/O口或UART口) , 使用了AD7810芯片, 为该芯片接的电压与CC2530同为3.3 V, VREF也接上3.3 V电压, 则其最大转换电压也为3.3 V, DOUT脚为完成模数转换后的串行数据输出口, SCLK脚为输入时钟脚, VIN+和VIN-为传感器接线口, 本系统所用传感器输出电流一般为4~25 m A, 所以传感器接入时需接上一个150Ω左右的电阻。由于一个节点需接多个传感器 (该节点只需3个) , 为了工程易于扩展, 预留接口, 所以使用了一个74LS151芯片来进行选择性定时, 每15 s轮转选择一个采集数据来源选通。由于本电路只需要3选1, 所以接口C拉低, 默认高4位输入不接通, 若工程有监测种类扩展需要, 可作适时更改。需要注意的是AD7810的脚CONVERT为转换启动输入信号, 配合74LS151的轮转选通功能, 可启动自动低功耗模式开启间断休眠来实现节能。另外CC2530使用16 MHz和32 MHz晶振模式, 其中16 MHz晶振除自身使用外还可供给AD7810输入时钟使用, 32 MHz在自身向协调器发射RF信号时使用。图2为Zig Bee传感终端节点的硬件设计图。

2.2 Zig Bee协调模块的硬件设计

Zig Bee协调模块是Zig Bee中的协调节点, 除了担负着组建网络、允许其他节点加入与退出、分配ID等基本任务外, 还要将接收到的数据进行预处理后打包压缩, 添加北斗头协议后发送到北斗模块。由于北斗通信的最小通信间隔为1 min, 单次发送数据量相对也不大, 所以CC2531芯片完全可以满足要求, 不必采用其他处理芯片。其硬件框图如图3所示。

2.3 嵌入式Linux显示上位机的硬件设计

上位机由UART串口连接至北斗指挥机, 上位机芯片采用三星公司的S3C2440, 附带7英寸触摸屏。

3 系统软件设计

整个系统的软件由Zig Bee传感终端节点的软件、Zig Bee协调模块的软件和嵌入式Linux显示上位机的软件三部分组成。Zig Bee相关模块需植入TI公司的Z-STACK协议, PHY层、MAC层、应用层等相关层程序需修改重写, 以实现硬件支持与功能实现。另外, 由于北斗短报文通信的传输量有限, 所以要在Zig Bee协调模块和嵌入式显示上位机分别实现数据的压缩与解压。考虑到采集到的1帧数据的重复性较大, 这里用到了BWT算法、改进型RLE算法和静态Huffman算法相结合对数据进行压缩。

3.1 相关压缩算法

传输数据的压缩流程如图4所示, 具体流程为:

(1) 将经过数据预处理的一帧数据T在末端插入#, 并进行每次移位1次的循环右移, 得到一个矩阵T#, 再按T#矩阵每行的首字母字典排序得到M矩阵。在这里可以定义M矩阵的第一列为F, 最后一列为L。则L为经过BWT变换的字符串。最后这里需要建立一个L-M Mapping (LF) 的辅助公式如下:

这里D[L[i]]指的是D代表的字符出现在L列最后出现的位置i, Di指的是D代表的字符在L[1, i]中出现的次数。

(2) 上述的字符串经过BWT变换后, 重复数据会聚集再一起, 将上述字符串再通过改进型RLE编码压缩, 由于采集的一帧数据有限, 字符重复个数不可能超过0x FF, 所以单个重复数据编码为2个字符, 高字节不采用传统的2个字符, 而只采用1个字符, 连续不重复字符共用一个高字节C1。

(3) 根据自设的静态Huffman编码对数据进行变长编码。最后, 整理数据并添加北斗协议, 通过北斗用户机短报文通信将数据发出去。传输数据的压缩流程图如图4所示。

传输数据的解压过程为:

(1) 将接收数据去掉北斗头协议后, 根据对应的Huffman码表通过Huffman解码将数据解码出来。

(2) 根据RLE编码的原理, 去掉数据中的高字节C1, 根据C1数值的大小, 逐个恢复出各个重复数据, 直至恢复出来原始数据串的长度, 恢复出来的数据串即是上述压缩流程中的L。

(3) 目标是通过BWT反变换恢复出原数据T, 恢复T的算法为:

其中s=u-1, …, 1。这里u为T加#后的长度, T[s]为L[i] (即L中的第i个字符) 在T中的位置s, 需恢复所有T[s], 而T即为最终的原始数据串。

3.2 Zig Bee传感终端节点的软件设计

终端传感节点的主要任务是数据采集、网络连接等。传感数据的发送采用周期性的数据发送, 各节点采集周期都略小于1 min。并采用循环扫描的方式读取每一个节点的每个传感器信息。需要注意的是由于是周期性地采集数据, 软件上可以实现间歇性使Zig Bee传感节点处于休眠状态, 减小功耗。

3.3 Zig Bee协调模块的软件设计

Zig Bee协调模块是本系统的核心模块, 其作为整个星型组网的协调器, 担负着网络建立与网络管理以及数据处理的作用。首先进行系统初始化, 包括对协议栈的物理层、MAC层和I/O端、串口等进行初始化, 接着协调器建立网络并等待节点加入。当收到节点加入请求后, 对节点进行网络登记。接着判断是否收到数据, 收到数据后即可对数据进行压缩、添加北斗通信协议处理, 最后通过北斗用户机发送出去。整个软件的实现流程如图5所示。

3.4 嵌入式Linux显示上位机的软件设计

嵌入式显示上位机是本系统的终端数据显示模块, 其功能主要是实现数据的解压缩去头协议后恢复数据并实时显示与数据储存和查询。为了便于携带性和实现更好的人机交互, 显控终端使用ARM处理器, 所用芯片型号为S3C2440, 运行嵌入式Linux系统, 软件界面采用QT4.85开发。为了方便历史数据的查询, 应用程序使用mysql数据库, 数据库与QWT相结合, 支持对数据进行图表查询。上位机查询界面如图6所示。

4 系统测试结果与分析

为了验证数据的传输性能, 人为对传感器进行了温度、湿度、风力等参数进行了的变化, 上位机在延时约1 min左右以后可以灵敏地反应出变化。

另外, 为了对本系统的北斗传输数据压缩效率进行验证, 进行了多次验证实验, 随机挑选了几组典型数据验证实验结果, 如表1所示。从实验结果上来看, 算法实现了数据的高效无损压缩, 数据量都压缩到了78.5 B以下, 可以实现北斗模块一次一帧发送, 显著提高发送效率。

参考文献

[1]颜玉华.耕地红线是我国粮食安全的生命线[J].调研世界, 2011 (4) :29-33.

[2]孙玉文.基于无线传感器网络的农田环境监测系统研究与实现[D].南京:南京农业大学, 2013.

[3]王莉, 王泽民.北斗系统在农田墒情和珠峰登顶测量中的应用[J].卫星与网络, 2006 (3) :54-57.

[4]储成祥, 戴啸涛, 杨晓冬.我国农业信息化中的物联网技术应用需求评价与对策研究[J].南京邮电大学学报 (社会科学版) , 2011, 13 (3) :25-41.