Zig Bee技術及其應用低壓電器(2005N7計算機及? Zig bee技術及其應用PLC應用江修波(福州大學電氣工程與自動化學院,福建福州350002)摘要:介紹了具有低速率、低成本、低功耗的特點,基于IEEE802.15.4的無線通信協(xié)議— ZigBee及其技術,闡述了 ZigBee Mesh的主要技術特征和組網方式,并綜述了 ZigBee技術在家居控制、樓宇自動化和工業(yè)自動化領域的應用特點。關鍵詞: ZigBee技術;Mesh網絡;家居控制;樓字自動化;工業(yè)自動化中圖分類號:TP393.03文獻標識碼:A文章編號:1001-5531(2005)07-0027403作者:江修波(1960-),男,講師要研究方向為電Zig Bee Technology and Its application工電子新技術及其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技術為滿足小型、低成本設備的無線聯(lián)網要求,ZigBee是基于IEEE802.15.4的無線通信協(xié)2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作議,它是一種短距離、低功耗協(xié)議,專用于小型設組,致力于定義一種適于固定、便攜或移動設備使備如溫度調節(jié)裝置、照明控制器、鎮(zhèn)流器、環(huán)境檢用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線連接測傳感器與醫(yī)療設備等,其低功耗可使設備電池技術— ZigBee技術。 ZigBee聯(lián)盟成立于2002使用壽命達到6個月至2年。年8月,由英國 Invensys公司、日本三菱電氣公一個基于 ZigBee的無線個域網(WPAN)能司、美國摩托羅拉公司、荷蘭飛利浦半導體等公司支持高達254個節(jié)點,外加一個全功能器件,即可組成,迄今已吸引了上百家芯片公司、無線設備公實現(xiàn)雙向通信。 ZigBee技術的較低數據速率以及司及產品開發(fā)商,將主要側重于:①定義網絡、安較小通信范圍的特點決定了 ZigBee技術適于承全以及應用軟件層的協(xié)議;②為 ZigBee設備提供載數據量較小的業(yè)務互操作與一致性測試;③促進 ZigBee技術在全球1.1 ZigBee協(xié)議結構的推廣;④有效管理該技術的發(fā)展。ZigBee的協(xié)議結構如圖1所示,它由高層應ZigBee是一種低使用成本、商業(yè)型的應用技用規(guī)范、會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組術,其無線裝置減少了傳統(tǒng)電氣工程施工費用,解成。IEF4T作組豐要負責制定物理層決了現(xiàn)場安裝困難的問題;其采用數字技術,消除和M中國煤化工參照和采用現(xiàn)有了傳統(tǒng)無線技術的不可靠性及其他技術問題。因的標CNMHG此,隨著 ZigBee技術的不斷完善,它將成為當今1.2物理層最先進的數字化無線技術IEEE802.15.4定義了24GHz和868/915低壓電器(2005N7)ZigBee技術及其應用915MHz頻段(902~928MHz)被劃分為10會聚層個信道,數據傳輸速率為20kb/s;868MHz頻段(868.3MHz)有1個信道,數據傳輸速率為20網絡層kb/s,碼元速率為20 kbuadIEEE 802.15.4 IEEE 802.2上述波段均采用了差分編碼的二進制移相鍵邏輯鏈路輯鏈路控制層控制層控(BPSK)調制,用碼片長度為15的M序列直接IEEE 802.15擴頻媒質接入控制層1.3MAC層869 MHz/915 MHz/2,4 GH,EEE802系列標準將數據鏈路層分成邏輯鏈路控制( Logiocl Link Control,LLC)和媒介接入控圖1 Zigbee的協(xié)議結構制( Media Access Control,MAC)兩個子層。其MHz兩個物理層,它們基于直接序列擴頻( Direct中,LC子層在正EE802.6中定義為IEE802Sequence Spread Spectrum,DSs數據包格式,兩標準系列共用,而MAC子層協(xié)議依頓于各自的物者的區(qū)別在于工作頻率、調制技術、擴頻碼片長度理層和傳輸速率。IEEE802.15.4的MAC層支持多種LLC標ZigBee物理層分組結構如圖2所示,其中前準,通過scs( Service-Specific Convergence Sub-導碼4Byte,主要用于前導同步;分組定界1By, layer)業(yè)務相關會聚子層協(xié)議承載IEE8022類標志分組的開始;物理層頭1Byte,表示數據單型的LLC標準,且允許其他LC標準直接使用的長度;數據單元用于承載傳輸數據IEEE802.15.4MAC層的服務?？紤]到 ZigBee MAC層的設計應盡可能地降前導碼分組定界物理層頭物理層低成本、易于實現(xiàn)、數據傳輸可靠、短距離操作以及低功耗,因此采用了簡單靈活的協(xié)議,其幀有4128 Byte種類型:數據幀、標志幀、命令幀和確認幀,其一般圖2 ZigBee物理層分組結構結構如圖3所示。(1)2.4GHz頻段。該頻段為全球統(tǒng)一無需WFR)申請的ISM頻段,有助于 ZigBee設備的推廣和生產成本的降低。該頻段物理層通過采用高階調制圖3 ZigBee幀結構技術,可獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期,從而更省電ZigBee采用載波偵聽多址/沖突(CSMA/CD)該頻段(2.4~2.483GHz)被劃分為16個信的信道接入方式和完全握手協(xié)議,其數據傳輸方道,數據傳輸速率為250kb/s,碼元速率為62.5式如圖4所示。kbaud,.用16進制正交調制,并用碼片長度為81.4 Zigbee的網絡拓撲結構的偽隨機碼直接擴頻。ZigBee支持3種通信設備的網絡拓撲,即(2)868/915MHz頻段。為了避免干擾,歐Star、Mesh和 Cluster Tree。其中,Star(星形)網絡洲還采用868MHz頻段,美國采用915MHz頻段是一種常用且適用于長期運行使用操作的網絡;作為 ZigBee的工作頻段。上述這些頻段比較相Mesh網絡是一種高可靠性檢測網絡,它通過無線近,對信號合成器的程序稍作改動就可使用相似網絡連接可提多個物掘誦信通道,即它是一個的硬件,從而降低生產成本。高級中國煤化工數據通信發(fā)生故上述頻段無線信號傳播損耗較小,可降低對障CNMHG通信; Cluster Tree接收機靈敏度的要求,獲得較遠的通信距離,即可網絡是Star/Mesh的混合型拓撲結構,結合了上用較少的設備覆蓋較大的區(qū)域。述兩種拓撲結構的優(yōu)點。ZigBee技術及其應用低壓電器(2005N7)發(fā)送端2 ZigBee技術的應用數據請求數據確認發(fā)送端ZigBee技術目前已在家居控制、樓宇自動化MAC數據鎖信號接入與工業(yè)自動化等領域得到初步的應用,在上述領數據賴域的應用特點綜述如下。2.1家居控制數據請求數據指示(1)控制功能。可靈活地管理家庭內部任何位置的照明、供熱及空調系統(tǒng),并通過自動控制家居系統(tǒng)以改善其節(jié)能、便利及安全性。圖4 ZigBee數據傳輸方式(2)節(jié)能?？色@取詳細的電力、自來水及燃以下介紹基于Mesh的zgee組網技術(見氣等的使用數據,并通過嵌入式智能化裝置優(yōu)化圖5)。上述能源的使用消耗(3)便利性。不需導線就可安裝、升級或組成家居控制系統(tǒng),并可由單一的遠程控制裝置管理多個系統(tǒng)的運行。(4)安全性。無線傳感器易于安裝且可監(jiān)控HD(mD)各種環(huán)境參數并可自動監(jiān)測異常事件報警信號2.2樓宇自動化(1)控制功能?？梢惑w化集中管理照明、暖通空調與安防系統(tǒng),并通過自動控制樓宇系統(tǒng)以圖5基于Mesh的 ZigBee組網改善其節(jié)能、便利及安全性。(2)節(jié)能。通過優(yōu)化管理暖通空調以達到節(jié)由圖5可知,在Meh網絡中有3種關型的省能源消耗的目的,并基于現(xiàn)場實際消耗數據實ZigBee設備:現(xiàn)準確的用戶能耗數據計量。(1)簡化功能器件( Reduced Function De(3)便利性?？煽焖僦貥嬚彰飨到y(tǒng)以滿足現(xiàn)vce,RFD)。RFD在Meh網絡中作為源節(jié)點,只場辦公及工作區(qū)域的需要,并可方便地實現(xiàn)樓宇發(fā)送與接收信號,并不起轉發(fā)器/路由器的作用。系統(tǒng)架構的擴展與升級。(2)全功能器件( Full function device(4)安全性。通過多個傳輸路由實現(xiàn)控制點FFD)。在Mesh網絡中,FFD是具有轉發(fā)與路由數據的網絡化與集成化管理,并采用無線網絡提能力的節(jié)點。如FFD的信息傳輸路由失效或肜高信號數據傳輸可靠性。離網絡,則將有另一個鄰近的FFD節(jié)點快速地承2.3工業(yè)自動化擔起數據傳送至目的地的作用。因此, ZigBeeMesh是自構或自愈型網絡,其節(jié)點間是完全握手(1)控制功能?？煽康財U展現(xiàn)有制造業(yè)或過程控制系統(tǒng),并通過持續(xù)監(jiān)控關鍵設備提高對設方式,使得信號可準確及成功地到達適當的目的備資產的管理。地(3)網絡主機或網關。 ZigBee還支持第3種(2)節(jié)能。通過優(yōu)化制造業(yè)過程控制達到節(jié)省能源消耗的目的,并可診斷出性能惡化或運行節(jié)點,即網絡主機或網關節(jié)點,起到與外部系統(tǒng)接效率低下的設備。口或協(xié)調與其他Mesh網絡的路由作用。(3)效率。采用遠程傳感器數據自動采集由圖5可以看出,一個信號由左上角的RFD可減山中國煤化工提供詳細的運行產生路經4個FED,最終達到 Gateway網關。圖數據中的細線表示還有可能的信號傳輸路徑。CNMHG(下轉第33頁)29一基于DSP和CPLD的開關礎阻電動機數字控制器低壓電器(2005‰7)5000ns1.0μs1.5us2.0ps2.5μs3.0μs35sHEn_圖5電流定時斬波仿真波形[M].北京:機械工業(yè)出版社,19945結束語[2]黃建中,蔣全,周鶚,等.開關磁阻電動機的控利用DSP和CPLD組成的開關磁阻電動機全制模式[J.電氣傳動,1997,5:10-13數字控制器完全滿足了高速開關磁阻電動機對3]王宏華開關磁阻電動機調速控制技術[M].北實時性的要求,并具有可靠性高、動態(tài)性能好等優(yōu)京:機械工業(yè)出版社,1998點。隨著開關磁阻電動機的廣泛應用和CPLD技4]宋萬杰,CPLD技術及其應用[M.西安西安電子科技大學出版社,1999術的不斷發(fā)展,將逐步實現(xiàn)電動機控制系統(tǒng)的無5] Choo Y B. A Design Method for High Efficiency ofCPU純硬件設計。SRM Drive [C]. IPEMC 94/Beijing, 1994. 564【參考文獻】567收稿日期:200505301]劉迪吉,張煥春,傅豐禮,等開關磁阻調速電動機》》》》》》》》】》】》》》》》)》》》》》》》》】》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》(上接第29頁)(4)安全性。釆用實時監(jiān)控網絡可提高系統(tǒng)的安全性,其實時性數據采集還可提供符合性報【參考文獻】表ZigBee[ DB/OLhttp://www.automatedbuildings.com3結束語[2] William Sandoval. The ZigBee Revolution[ DB/OlZigBee技術填補了低成本、低功耗和低速率http://www.automatedbuildins.co無線通信市場的空白,其使用的便捷性是該技術[3] Patrick Kinney. ZigBee Technology:. Wireless Control成功的關鍵,它適用于短距離小范圍的基于無線en resources通信的控制領域將在家居控制、樓字自動化和工[4]王全平,王莉、zgBe技術簡析[J通訊世界,業(yè)自動化等領域得到廣泛的應用。2003,(4):41-43收稿日期:20050221第三屆國家期中國煤化工全國中文核心期刊中國學術期刊光盤CNMHG統(tǒng)計用刊中國科學引文數據庫來源期刊中國學術期刊綜合評價數據庫來源期刊