ZigBee无线通信技术及其应用前景

2009年第6期总第147期

林区教学

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N o .62009

G eneral N o .147

Z i g Bee 无线通信技术及其应用前景

白国亮

(黑龙江工程学院,哈尔滨150050)

摘 要:网络和通信技术的发展,使人们对无线通信的要求越来越高,短程、低速、廉价的无线通信技术正成为关注的焦点。目前一种新的无线通信技术引起了人们的关注,这就是所谓的/Z i gBee 0技术。Z i gBee 这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式,蜜蜂通过跳Z i gZag 形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。有了Z igBee 这种低速率通信技术,其所支持的应用更贴近人们的日常生活。就Z i gBee 技术及其特点、应用前景等方面的问题作一介绍。

关键词:无线通信;Z igBee 技术;前景

中图分类号:TN801 文献标志码:A 文章编号:1008-6714(2009)06-0079-02

收稿日期:2009-03-12

作者简介:白国亮(1971-),男,黑龙江哈尔滨人,电信中心主任,工程师,硕士。

一、Z i gBee 技术

11Z i gBee 技术简介

Z i g B ee 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I EEE 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。相对现有的各种无线通信技术,Z i gBee 技术是最低功耗和成本的技术。

21Z i gBee 的特点

(1)低功耗:由于Z i gBee 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Z i gBee 设备非常省电。据估算,Z i g B ee 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,这是其他无线设备望尘莫及的。

(2)成本低:Z i gBee 模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5美元~2.5美元,并且Z i gBee 协议是免专利费的。低成本对于Zi gBee 也是一个关键的因素。

(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30m s ,休眠激活的时延是15m s ,活动设备信道接入的时延为15m s 。因此Z i g B ee 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:一个星型结构的Z i gBee 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。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

(6)安全:Zi gBee 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。

31Zi gBee 网络的形成

一个Zi gBee 网络的形成,必须由FFD 率先担任网络协调器,由协调器进行扫描搜索以发现一个未用的最佳信道来建立网络;再让其他的FFD 或是RF D 加入这个网络,需要注意的是RFD 只能与FFD 连接。事实上,人们可根据装置在网络中的角色和功能,预先对装置编制好程序。如协调器的功能是通过扫描搜索,以发现一个未用的信道来组建一个网络;路由器(一个网络中的M esh 装置)的功能是通过扫描搜索,以发现一个激活的信道并将其连接,然后允许其他装置连接;而末端装置的功能总是试图连接到一个已存在的网络。

41采用Z i g B ee 技术的条件

通常符合下列条件之一的应用,均可考虑采用Zi gBee 技术。装置成本很低,传输的数据量很小;装置体积很小,不便放置较大的充电电池或者电源模块;没有充足的电源支持,只能使用一次性电池;频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难;要求数据传输的可靠性、安全性高;需要较大范围的通信覆盖,网络中的装置非常多,但仅仅用于监测或控制;使用GPS 效果差,或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。 二、Z ig B ee 技术应用前景展望

11在传感器网络领域

传感器网络被称作未来十大技术之一,由传感器和

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Z i gBee装置构成监控网络,可自动采集、分析和处理各个节点的数据,适合于农业、工业、医学、军事等需要数据自动采集并要求网络传输的各个领域。Z i gBee技术的其他应用还相当广泛,如照明、安全、物流管理等。更多的应用将取决于业界标准化组织、应用开发商和用户的进一步设计与完善。

21在工业领域

Z i g B ee技术有助于改进公共设施和能源管理、物流和库存追踪、安全性和访问控制,它也能够跟踪其他系统以实现预防性维护和性能监控。例如危险化学成分的检测、火警的早期检测和预报、照明系统的检测和控制,生产机台的流程控制、高速旋转机器的检测和维护等,都可借助Z i gBee网络提供相关信息,以达到工业与环境控制之目的。利用传感器和Zig B ee网络,使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易,可以作为决策辅助系统的重要组成部分。这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新,重点在低功耗,从而最大程度地延长电池的寿命,减少Z i gBee网络的维护成本。

31在汽车上

主要是传递信息的通用传感器。由于很多传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中,比如轮胎压力监测系统,这不仅要求采用无线技术,而且要求内置的无线通信装置使用的电池寿命长,最好超过或等于轮胎本身的寿命;同时还应该克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。

41在家庭和楼宇自动化领域

家庭自动化系统和楼宇自动化领域,作为电子技术的集成被得到迅速扩展。易于进入、简单明了和廉价的安装成本等成了驱动自动化居家和建筑开发和应用无线技术的主要动因。未来的家庭将会有50~150个支持Z i gBee 模块被安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统、烟火检测器、抄表系统、无线报警、安保系统、HVAC、厨房器械和其他家电产品中,通过Z i gBee收集各种信息,传送到中央控制装置,或通过遥控达到远程控制之目的,提供家居生活更朝向自动化、网络化与智能化,以有效增加人们居住环境之方便性与舒适度。

51在精确农业方面

传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械装置,主要依靠人力监测作物的生长状况。采用了由成千上万个传感器构成的比较复杂的Z i g B ee网络后,农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式,使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的装置来耕种。传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、p H值、降水量、温度、空气湿度和气压等信息。这些信息和采集信息的地理位置经由Z i g B ee网络传递到中央控制装置供农民决策和参考,这样农民能够及早而准确地发现问题,从而有助于保持并提高农作物的产量。

61在医学领域

将借助于各种传感器和Z i gBee网络,准确而且实时地监测病人的血压、体温和心跳速度等信息,从而减少医生查房的工作负担,有助于医生作出快速的反应,特别是对重病和病危患者的监护和治疗。

71在消费和家用自动化市场

可以联网的家用装置有电视、录像机、无线耳机、PC 外设(键盘和鼠标等)、运动与休闲器械、儿童玩具、游戏机、窗户和窗帘、照明装置、空调系统和其他家用电器等。近年来,由于无线技术的灵活性和易用性,无线消费电子产品已经越来越普遍、越来越重要;同时基于Zi gbee技术的遥控器可以实现全球漫游和无缝使用,从而在一定程度上降低这些装置的生产和使用成本。Ch i p c on等公司已经看到了巨大的市场需求,正在开发新产品以增强消费电子产品的性能。

81在道路指示、方便安全行路方面

如果沿着街道、高速公路及其他地方分布式地装有大量路标或其他简单装置,你就不再担心会迷路。安装在你汽车里的装置会告诉你,你现在所处的位置、正向何处去。虽然从全球定位系统(GPS)也能获得类似服务,但是这种新的分布式系统会向你提供更精确、更具体的信息。即使在GPS覆盖不到的楼内或隧道内,你仍能继续使用此系统。事实上,你从这个新系统能够得到比GPS多得多的信息,如限速、前面那条街是单行线还是双行线、前面每条街的交通情况或事故信息等。使用这种系统,还可以跟踪公共交通情况,你可以适时地赶上下一班车,而不至于在寒风中或烈日下在车站等上数十分钟。基于这样的新系统还可以开发出许多其他功能,例如在不同街道根据不同交通流量动态调节红绿灯,追踪超速的汽车或被盗的汽车等。当然,应用这一系统的关键问题在于成本、功耗和安全性等方面,而这正是802.15.4要解决的问题。

三、结束语

Z i gBee是一个针对传感器网络、建筑自动化等应用的短距离无线技术规范。Z i g B ee是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要适用于自动控制和远程控制领域,是为满足小型、廉价设备的无线联网和控制而制定的。它按高度省电要求设计,因此低功耗和较低数据传输率意味着不会和W i-F i等其他无线技术竞争,而是作为传感器网络等应用的性价比较高的方案。业界对它在上述领域的应用进展充满信心。

1责任编辑:李海波2

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