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應(yīng)用設(shè)計(jì)

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ZigBee(物聯(lián)網(wǎng))無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型方案

ZigBee(物聯(lián)網(wǎng))無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選型方案

2010/12/8 9:39:00

一.概述

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展,近年來出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)要求的技術(shù),稱之為ZigBee,它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù),主要適合于自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。
由于ZigBee的優(yōu)越特性,基于ZigBee技術(shù)的無線組網(wǎng)是一種比較合適的下行信道的實(shí)現(xiàn)手段。適合應(yīng)用于一些短距離的無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng),例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網(wǎng)絡(luò),適用于企業(yè)內(nèi)部能耗監(jiān)測(cè)及管理系統(tǒng),尤其適用于一些布線困難舊樓改造的能耗管理系統(tǒng)中。而若將其與成熟的工業(yè)以太網(wǎng)和GPRS/CDMA上行信道結(jié)合,與后臺(tái)管理主站組成一個(gè)完整的集抄和監(jiān)控系統(tǒng),則可以為遠(yuǎn)程管理提供一個(gè)有效的解決方案。ZigBee與其他最后一公里通訊技術(shù)比較見表1。
 
 
載波
RS485
ZigBee無線
建網(wǎng)難度
簡(jiǎn)單
困難
簡(jiǎn)單
一次性投資
一般
較大
運(yùn)行維護(hù)
困難
比較困難
容易
通信速度
可靠性
一般
實(shí)時(shí)監(jiān)控
不能
 表1 ZigBee與其他“最后一公里”技術(shù)的比較         
 
二.ZigBee技術(shù)特點(diǎn)
ZigBee協(xié)議基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn),從2004年發(fā)布ZigBee V1.0到最新的增加了ZigBee-PRO擴(kuò)展指令集的ZigBee2006版本,ZIGBEE功能不斷強(qiáng)大。ZigBee具備強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能(見圖1),它支持3種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型,即星型結(jié)構(gòu)(Star)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和樹型結(jié)構(gòu)(Cluster Tree),特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。與目前普遍應(yīng)用的wi-Fi、Bluetooth等短距離無線通訊技術(shù)相比較,ZigBee的特點(diǎn)主要有:
1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞诸?/span>
(1)工作周期短、收發(fā)信息功耗較低,并且RFD(Reduced Function Device,簡(jiǎn)化功能器件)采用了休眠模式,不工作時(shí)都可以進(jìn)入睡眠模式。
(2)低成本。通過大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10),降低了對(duì)通信控制器的要求,以8051的8位微控制器測(cè)算,全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼,子功能節(jié)點(diǎn)少至4 KB代碼。
(3)低速率、短延時(shí)。ZigBee的最大通信速率達(dá)到250 kb/s(工作在2.4 GHz時(shí)),滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。ZigBee的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms,節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms,進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較,藍(lán)牙需3~10 S、Wi-Fi需3 S。
(4)近距離,高容量。傳輸范圍一般介于10~100 m,在增加RF發(fā)射功率后,亦可增加到1~3 km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離,若通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力,擴(kuò)展后達(dá)到幾百米甚至幾公里。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn),最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)。
(5)高可靠性和高安全性。ZigBee的媒體接入控制層(Medium Access Control,MAC)采用CSMA/CA的碰撞避免機(jī)制,同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙,避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。ZigBee還提供了3級(jí)安全模式,包括無安全設(shè)定、使用接人控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AdvancedEncryption Standard,AES)的對(duì)稱密碼,以靈活確定其安全屬性。
(6)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(Industrial Scientific Medical,ISM)頻段,分別為2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國(guó))和868 MHz(歐洲)。
 
ZigBee(物聯(lián)網(wǎng))無線網(wǎng)絡(luò)電能管理系統(tǒng)表計(jì)的選型方案
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