ZigBee技术及其应用

Zig Bee技术及其应用低压电器(2005N7计算机及? Zig bee技术及其应用PLC应用江修波(福州大学电气工程与自动化学院,福建福州350002)摘要:介绍了具有低速率、低成本、低功耗的特点,基于IEEE802.15.4的无线通信协议— ZigBee及其技术,阐述了 ZigBee Mesh的主要技术特征和组网方式,并综述了 ZigBee技术在家居控制、楼宇自动化和工业自动化领域的应用特点。关键词: ZigBee技术;Mesh网络;家居控制;楼字自动化;工业自动化中图分类号:TP393.03文献标识码:A文章编号:1001-5531(2005)07-0027403作者:江修波(1960-),男,讲师要研究方向为电Zig Bee Technology and Its application工电子新技术及其JIANG Xiu-boCollege of Electrical Egineering and AutomationFuzhou University, Fuzhou 350002, China)Abstract Based on IEEE Standard 802. 15. 4, with characteristics of low-rate, low-cost, and low-power, thereless communication protocol ZigBee was introduced, the main technical features and configuration mode ofZigBee Mesh were expounded, the application specialities of ZigBee in home control, building automation andindustry automation were summarized in this paper.Key words: ZigBee technology; Mesh network; home control; building automation; industry automa0引言1 ZigBee技术为满足小型、低成本设备的无线联网要求,ZigBee是基于IEEE802.15.4的无线通信协2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作议,它是一种短距离、低功耗协议,专用于小型设组,致力于定义一种适于固定、便携或移动设备使备如温度调节装置、照明控制器、镇流器、环境检用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接测传感器与医疗设备等,其低功耗可使设备电池技术— ZigBee技术。 ZigBee联盟成立于2002使用寿命达到6个月至2年。年8月,由英国 Invensys公司、日本三菱电气公一个基于 ZigBee的无线个域网(WPAN)能司、美国摩托罗拉公司、荷兰飞利浦半导体等公司支持高达254个节点,外加一个全功能器件,即可组成,迄今已吸引了上百家芯片公司、无线设备公实现双向通信。 ZigBee技术的较低数据速率以及司及产品开发商,将主要侧重于:①定义网络、安较小通信范围的特点决定了 ZigBee技术适于承全以及应用软件层的协议;②为 ZigBee设备提供载数据量较小的业务互操作与一致性测试;③促进 ZigBee技术在全球1.1 ZigBee协议结构的推广;④有效管理该技术的发展。ZigBee的协议结构如图1所示,它由高层应ZigBee是一种低使用成本、商业型的应用技用规范、会聚层、网络层、数据链路层和物理层组术,其无线装置减少了传统电气工程施工费用,解成。IEF4T作组丰要负责制定物理层决了现场安装困难的问题;其采用数字技术,消除和M中国煤化工参照和采用现有了传统无线技术的不可靠性及其他技术问题。因的标CNMHG此,随着 ZigBee技术的不断完善,它将成为当今1.2物理层最先进的数字化无线技术IEEE802.15.4定义了24GHz和868/915低压电器(2005N7)ZigBee技术及其应用915MHz频段(902~928MHz)被划分为10会聚层个信道,数据传输速率为20kb/s;868MHz频段(868.3MHz)有1个信道,数据传输速率为20网络层kb/s,码元速率为20 kbuadIEEE 802.15.4 IEEE 802.2上述波段均采用了差分编码的二进制移相键逻辑链路辑链路控制层控制层控(BPSK)调制,用码片长度为15的M序列直接IEEE 802.15扩频媒质接入控制层1.3MAC层869 MHz/915 MHz/2,4 GH,EEE802系列标准将数据链路层分成逻辑链路控制( Logiocl Link Control,LLC)和媒介接入控图1 Zigbee的协议结构制( Media Access Control,MAC)两个子层。其MHz两个物理层,它们基于直接序列扩频( Direct中,LC子层在正EE802.6中定义为IEE802Sequence Spread Spectrum,DSs数据包格式,两标准系列共用,而MAC子层协议依顿于各自的物者的区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度理层和传输速率。IEEE802.15.4的MAC层支持多种LLC标ZigBee物理层分组结构如图2所示,其中前准,通过scs( Service-Specific Convergence Sub-导码4Byte,主要用于前导同步;分组定界1By, layer)业务相关会聚子层协议承载IEE8022类标志分组的开始;物理层头1Byte,表示数据单型的LLC标准,且允许其他LC标准直接使用的长度;数据单元用于承载传输数据IEEE802.15.4MAC层的服务。考虑到 ZigBee MAC层的设计应尽可能地降前导码分组定界物理层头物理层低成本、易于实现、数据传输可靠、短距离操作以及低功耗,因此采用了简单灵活的协议,其帧有4128 Byte种类型:数据帧、标志帧、命令帧和确认帧,其一般图2 ZigBee物理层分组结构结构如图3所示。(1)2.4GHz频段。该频段为全球统一无需WFR)申请的ISM频段,有助于 ZigBee设备的推广和生产成本的降低。该频段物理层通过采用高阶调制图3 ZigBee帧结构技术,可获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期,从而更省电ZigBee采用载波侦听多址/冲突(CSMA/CD)该频段(2.4~2.483GHz)被划分为16个信的信道接入方式和完全握手协议,其数据传输方道,数据传输速率为250kb/s,码元速率为62.5式如图4所示。kbaud,.用16进制正交调制,并用码片长度为81.4 Zigbee的网络拓扑结构的伪随机码直接扩频。ZigBee支持3种通信设备的网络拓扑,即(2)868/915MHz频段。为了避免干扰,欧Star、Mesh和 Cluster Tree。其中,Star(星形)网络洲还采用868MHz频段,美国采用915MHz频段是一种常用且适用于长期运行使用操作的网络;作为 ZigBee的工作频段。上述这些频段比较相Mesh网络是一种高可靠性检测网络,它通过无线近,对信号合成器的程序稍作改动就可使用相似网络连接可提多个物掘诵信通道,即它是一个的硬件,从而降低生产成本。高级中国煤化工数据通信发生故上述频段无线信号传播损耗较小,可降低对障CNMHG通信; Cluster Tree接收机灵敏度的要求,获得较远的通信距离,即可网络是Star/Mesh的混合型拓扑结构,结合了上用较少的设备覆盖较大的区域。述两种拓扑结构的优点。ZigBee技术及其应用低压电器(2005N7)发送端2 ZigBee技术的应用数据请求数据确认发送端ZigBee技术目前已在家居控制、楼宇自动化MAC数据锁信号接入与工业自动化等领域得到初步的应用,在上述领数据赖域的应用特点综述如下。2.1家居控制数据请求数据指示(1)控制功能。可灵活地管理家庭内部任何位置的照明、供热及空调系统,并通过自动控制家居系统以改善其节能、便利及安全性。图4 ZigBee数据传输方式(2)节能。可获取详细的电力、自来水及燃以下介绍基于Mesh的zgee组网技术(见气等的使用数据,并通过嵌入式智能化装置优化图5)。上述能源的使用消耗(3)便利性。不需导线就可安装、升级或组成家居控制系统,并可由单一的远程控制装置管理多个系统的运行。(4)安全性。无线传感器易于安装且可监控HD(mD)各种环境参数并可自动监测异常事件报警信号2.2楼宇自动化(1)控制功能。可一体化集中管理照明、暖通空调与安防系统,并通过自动控制楼宇系统以图5基于Mesh的 ZigBee组网改善其节能、便利及安全性。(2)节能。通过优化管理暖通空调以达到节由图5可知,在Meh网络中有3种关型的省能源消耗的目的,并基于现场实际消耗数据实ZigBee设备:现准确的用户能耗数据计量。(1)简化功能器件( Reduced Function De(3)便利性。可快速重构照明系统以满足现vce,RFD)。RFD在Meh网络中作为源节点,只场办公及工作区域的需要,并可方便地实现楼宇发送与接收信号,并不起转发器/路由器的作用。系统架构的扩展与升级。(2)全功能器件( Full function device(4)安全性。通过多个传输路由实现控制点FFD)。在Mesh网络中,FFD是具有转发与路由数据的网络化与集成化管理,并采用无线网络提能力的节点。如FFD的信息传输路由失效或肜高信号数据传输可靠性。离网络,则将有另一个邻近的FFD节点快速地承2.3工业自动化担起数据传送至目的地的作用。因此, ZigBeeMesh是自构或自愈型网络,其节点间是完全握手(1)控制功能。可靠地扩展现有制造业或过程控制系统,并通过持续监控关键设备提高对设方式,使得信号可准确及成功地到达适当的目的备资产的管理。地(3)网络主机或网关。 ZigBee还支持第3种(2)节能。通过优化制造业过程控制达到节省能源消耗的目的,并可诊断出性能恶化或运行节点,即网络主机或网关节点,起到与外部系统接效率低下的设备。口或协调与其他Mesh网络的路由作用。(3)效率。采用远程传感器数据自动采集由图5可以看出,一个信号由左上角的RFD可减山中国煤化工提供详细的运行产生路经4个FED,最终达到 Gateway网关。图数据中的细线表示还有可能的信号传输路径。CNMHG(下转第33页)29一基于DSP和CPLD的开关础阻电动机数字控制器低压电器(2005‰7)5000ns1.0μs1.5us2.0ps2.5μs3.0μs35sHEn_图5电流定时斩波仿真波形[M].北京:机械工业出版社,19945结束语[2]黄建中,蒋全,周鹗,等.开关磁阻电动机的控利用DSP和CPLD组成的开关磁阻电动机全制模式[J.电气传动,1997,5:10-13数字控制器完全满足了高速开关磁阻电动机对3]王宏华开关磁阻电动机调速控制技术[M].北实时性的要求,并具有可靠性高、动态性能好等优京:机械工业出版社,1998点。随着开关磁阻电动机的广泛应用和CPLD技4]宋万杰,CPLD技术及其应用[M.西安西安电子科技大学出版社,1999术的不断发展,将逐步实现电动机控制系统的无5] Choo Y B. A Design Method for High Efficiency ofCPU纯硬件设计。SRM Drive [C]. IPEMC 94/Beijing, 1994. 564【参考文献】567收稿日期:200505301]刘迪吉,张焕春,傅丰礼,等开关磁阻调速电动机》》》》》》》》】》】》》》》》)》》》》》》》》】》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》(上接第29页)(4)安全性。釆用实时监控网络可提高系统的安全性,其实时性数据采集还可提供符合性报【参考文献】表ZigBee[ DB/OLhttp://www.automatedbuildings.com3结束语[2] William Sandoval. The ZigBee Revolution[ DB/OlZigBee技术填补了低成本、低功耗和低速率http://www.automatedbuildins.co无线通信市场的空白,其使用的便捷性是该技术[3] Patrick Kinney. ZigBee Technology:. Wireless Control成功的关键,它适用于短距离小范围的基于无线en resources通信的控制领域将在家居控制、楼字自动化和工[4]王全平,王莉、zgBe技术简析[J通讯世界,业自动化等领域得到广泛的应用。2003,(4):41-43收稿日期:20050221第三届国家期中国煤化工全国中文核心期刊中国学术期刊光盘CNMHG统计用刊中国科学引文数据库來源期刊中国学术期刊综合评价数据库来源期刊