基于ZigBee的技術(shù)研究

張守興 李明珠 陳媛媛

摘 ? 要：學(xué)習(xí)ZigBee的前沿數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，為采用ZigBee技術(shù)控制的智能水表設(shè)計打下基礎(chǔ)。文章通過ZigBee應(yīng)用掌握ZigBee終端設(shè)備各模塊的使用，為掌握組網(wǎng)編程及運(yùn)行調(diào)試提供借鑒。

關(guān)鍵詞：ZigBee;數(shù)據(jù)傳輸;調(diào)試

1 ? ?研究的背景及意義

近年來，由于智能產(chǎn)品的日益增多，通信技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用均呈現(xiàn)出指數(shù)增加的趨勢，有力地推動無線通信技術(shù)的快速發(fā)展。工業(yè)的一線生產(chǎn)設(shè)備、農(nóng)業(yè)的智能化控制、汽車的電氣控制系統(tǒng)、智能家居、醫(yī)療設(shè)備智能化操作和智慧化小區(qū)建設(shè)、面向服務(wù)消費(fèi)大眾的第三產(chǎn)業(yè)等都是無線通信技術(shù)還未涉足或者剛剛涉足的領(lǐng)域，這些領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)吞吐量的要求一般不高，對產(chǎn)品的功率消耗也比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)提供的產(chǎn)品功率消耗要低的多。同時，為了降低組成元器件的價格，以便于各種應(yīng)用裝置批量生產(chǎn)，就有必要制定出一款標(biāo)準(zhǔn)的解決方案或相應(yīng)的技術(shù)協(xié)議，來結(jié)束這種雜亂無章、“群雄紛爭”的局面。而ZigBee技術(shù)就是在這種背景下產(chǎn)生的一種適應(yīng)市場的技術(shù)產(chǎn)品，其設(shè)計出一個應(yīng)用程度相對簡單的無線電收發(fā)系統(tǒng)，同時，也進(jìn)一步考慮產(chǎn)品的低功耗和消費(fèi)者極為關(guān)心的性價比問題。

ZigBee是一種傳輸距離短、設(shè)備構(gòu)造組成相對簡單、運(yùn)行耗電量較低、數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高且價格又相對低廉的雙向無線通信技術(shù)，可以基本滿足一些數(shù)據(jù)量較為簡單的自動控制和遠(yuǎn)程控制，對小型的無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建具有極大的應(yīng)用優(yōu)勢?；赯igBee技術(shù)應(yīng)用的產(chǎn)品越來越廣泛，在不少工科高校也通過各種形式對一些工科的學(xué)生進(jìn)行這一方面能力的培養(yǎng)。比如，在第二課堂（個別院校叫素質(zhì)拓展）開展ZigBee技術(shù)的小應(yīng)用，有的設(shè)有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)的院校更是直接開“物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)”的專業(yè)課，這也符合高校專業(yè)人才培養(yǎng)要與社會、市場接軌的目標(biāo)，因此，學(xué)習(xí)并掌握一定的ZigBee技術(shù)，對電氣工程及其自動化、通信工程、電子信息、物聯(lián)網(wǎng)、智能控制等專業(yè)的老師和學(xué)生們，任重而道遠(yuǎn)。

2 ? ?ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)

ZigBee在應(yīng)用領(lǐng)域中是一種能進(jìn)行靈活組網(wǎng)的無線通信技術(shù)，適用于數(shù)據(jù)傳輸量較少、功率要求不高、傳輸速率低、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較多的場合，比如，在公交車的報站系統(tǒng)的研發(fā)、智能小區(qū)的規(guī)劃、小區(qū)快遞報送系統(tǒng)、自動售貨機(jī)研制、智能護(hù)士呼叫系統(tǒng)、智能家居控制等。一般的ZigBee具有下述特點(diǎn)。

2.1 ?運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性高

在無線通信傳輸中，電磁波在傳輸過程中非常容易受到各種不利因素的干擾，例如，直線傳輸障礙物的阻擋、天氣狀況惡化、傳輸媒介變化等，因此，無線通信系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時，數(shù)據(jù)在傳輸過程中，就會具有一定的內(nèi)在不穩(wěn)定性。而ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee規(guī)范時，眾多技術(shù)出身的參會者紛紛結(jié)合各自的研發(fā)領(lǐng)域和在產(chǎn)品調(diào)試中遇到的數(shù)據(jù)傳輸過程中存在的問題，進(jìn)行交流并共同制定一些措施來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.2 ?低功耗、低成本

作為一種研發(fā)的技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)功能的同時，其本身的工作功耗要低且各組成的元器件的成本要進(jìn)一步降低，才能引起消費(fèi)者的關(guān)注和采用，也就是所謂的性價比的問題。而采用ZigBee技術(shù)結(jié)合的應(yīng)用型產(chǎn)品恰好能滿足這方面的要求，其控制終端在某種狀態(tài)上類似處于一種休眠工作方式，達(dá)到低功耗要求。

2.3 ?網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)大

一個ZigBee組成的網(wǎng)絡(luò)能與255個設(shè)備控制終端進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，對于一般的小區(qū)用戶水表的運(yùn)行管理，基本滿足需求。相當(dāng)于一個ZigBee設(shè)備可以控制254個設(shè)備。

2.4 ?組網(wǎng)能力強(qiáng)

ZigBee設(shè)備在組網(wǎng)方面，具有自愈的能力，對周邊有較強(qiáng)的覆蓋能力。

2.5 ?安全性

ZigBee開發(fā)具有完整的檢測功能，其主要采用AES-128進(jìn)行相應(yīng)的算法加密，高級加密標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步保障數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的安全型和可靠性。

2.6 ?應(yīng)用性強(qiáng)

ZigBee協(xié)議棧源代碼齊全，一般應(yīng)用者主要是對主函數(shù)及操作系統(tǒng)進(jìn)行修改應(yīng)用，許多庫函數(shù)據(jù)可以根據(jù)項(xiàng)目要求而做修改即可。

3 ? ?基于ZigBee控制的水表設(shè)備終端

ZigBee設(shè)備終端結(jié)構(gòu)一般包括電源模塊、微控制器CC2530、數(shù)據(jù)傳輸模塊、調(diào)試模塊、調(diào)制模塊、時鐘模塊、LCD模塊、天線模塊、DMA模塊、命令執(zhí)行單元、傳感器單元等，各單元基本構(gòu)造如圖1所示。通過智能傳感器單元設(shè)備模塊的內(nèi)部數(shù)據(jù)收集數(shù)據(jù)。比如，在小區(qū)中，對住戶水表的一種ZigBee技術(shù)應(yīng)用，其將原來機(jī)械式水表的水流量信息，通過傳感器的轉(zhuǎn)換，把住戶用水的流量轉(zhuǎn)換成電的信號，當(dāng)然可以是電流信號或電壓信號，進(jìn)行調(diào)制后，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊，變成微處理器能識別的機(jī)器碼二進(jìn)制，讓微處理器獲取，并按照研發(fā)者預(yù)先的編程程序運(yùn)行，再把處理相應(yīng)的結(jié)果，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊接收或傳輸控制命令，傳達(dá)到用戶模塊單元，這個功能一般就是通知用戶水量信息的作用。而另一方面，用戶也可以通過控制終端（如手機(jī)專用APP）對微處理器進(jìn)行指令控制，通過微處理器處理結(jié)果并使執(zhí)行單元執(zhí)行（比如閥門關(guān)閉或開啟等）。CC2530外設(shè)包括I/O引腳、ADC，DMA、串口等，CC2530包括3個8位輸入/輸出（I/O）端口，分別是P0，P1和P2。CC2530的ADC支持多達(dá)14位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，具有多達(dá)12位的有效數(shù)字位。它包括一個模擬多路轉(zhuǎn)換器，具有多達(dá)8個各自可配置的通道，一個參考電壓發(fā)生器。CC2530內(nèi)置一個存儲器直接存?。―irect Memory Access，DMA）控制器，可以用來減輕8051CPU內(nèi)核傳送數(shù)據(jù)操作的負(fù)擔(dān)，從而實(shí)現(xiàn)在高效利用電源的條件下的高性能。

4 ? ?ZigBee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

ZigBee技術(shù)是基于小型無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)而開發(fā)的一種通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在應(yīng)用過程中，雖然ZigBee技術(shù)也面臨許多新的技術(shù)問題挑戰(zhàn)，但總體來說ZigBee協(xié)議也越來越成熟，技術(shù)考慮的全面性也越來越嚴(yán)謹(jǐn)，使用操作越來越大眾化，對專業(yè)性要求度也在進(jìn)一步減低，這也使ZigBee技術(shù)在智能家居和城鎮(zhèn)管理自動化等方面有較大的應(yīng)用前景。ZigBee技術(shù)的及時出現(xiàn)，在某種程度上彌補(bǔ)了制作成本低、運(yùn)行功耗低的無線通信市場暫時空缺的產(chǎn)品。

ZigBee技術(shù)的應(yīng)用一般在可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、控制節(jié)點(diǎn)較多且應(yīng)用時對數(shù)據(jù)傳輸速率和控制成本要求不高的場合，而且設(shè)備電池供電可以達(dá)幾個月的時間，同時整體的設(shè)備體積較小。

在工業(yè)/農(nóng)業(yè)控制方面，可以使用ZigBee技術(shù)組建無線小網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點(diǎn)通過采集傳感器數(shù)據(jù)，然后通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)來完成各類數(shù)據(jù)的傳送。

在智慧小區(qū)，對于小區(qū)住戶電表/水表的高效管理，同時也為了節(jié)約成本開支，ZigBee技術(shù)的設(shè)備產(chǎn)品的開發(fā)及利用是一種不錯的選擇。

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