Zigbee無線通信技術(shù)在水文雨量點布控方面的應用研究

辛 光，周 鵬

（吉林省水文水資源局長春分局，吉林 長春 130022）

1 Zigbee技術(shù)簡介

ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術(shù)，主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡節(jié)點傳到另一個節(jié)點，所以它們的通信效率非常高。通訊距離從標準的75 m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。ZigBee是一個由可多到65 000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡平臺，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，每一個ZigBee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡節(jié)點間的距離可以從標準的75 m無限擴展。

2 Zigbee技術(shù)特點

1）低功耗。在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。

2）低成本。通過大幅簡化協(xié)議（不到藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求。

3)低速率。ZigBee工作在20～250 kbps的較低速率，分別提供 250 kbps（2.4GHz）、40kbps（915 MHz）和20 kbps（868 MHz）的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求。

4）近距離。傳輸范圍一般介于10～100 m之間，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)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

5）短時延。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30 ms，進一步節(jié)省了電能。

6）高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理，最多可組成65 000個節(jié)點的大網(wǎng)。

3 基于Zigbee技術(shù)的雨量測控系統(tǒng)組成

3.1 Zigbee 模塊（2530）參數(shù)

輸入電壓：DC 3.3 V，范圍2.6～3.6 V；溫度范圍：-40～85 ℃；無線頻率：2.4 G（2 460 MHz）；傳輸距離：可視，開闊，傳輸距離1 600 m。

3.2 單片機

單片機又稱微控制器，嵌入式微控制器等，屬于第四代電子計算機。它把中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口電路以及定時器/計數(shù)器集成在一塊芯片上，從而具有體積小、功耗低、價格低廉、抗干擾能力強且可靠性高等特點，因此，適合應用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和測控系統(tǒng)的前端裝置。正是由于這一原因，國際上逐漸采用微控制器（MCU）代替單片微型計算機（SCM）這一名稱。“微控制器”更能反映單片機的本質(zhì)，但是由于單片機這個名稱已經(jīng)為國內(nèi)大多數(shù)人所接受，所以仍沿用“單片機”這一名稱。

單片機的主要特點有：具有優(yōu)異的性能價格比；集成度高、體積小、可靠性高；控制功能強；低電壓，低功耗。

3.3 RS485串口通信特點

1）RS-485的電氣特性：邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2～6）V 表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2～6）V表示。接口信號電平比RS-232-C降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。

2）RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10 Mbps。

3）RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。

4）RS-485最大的通信距離約為1 219 m，最大傳輸速率為10 Mb/S，傳輸速率與傳輸距離成反比，在100 kb/S的傳輸速率下，才可以達到最大的通信距離，如果需傳輸更長的距離，需要加485中繼器。RS-485總線一般最大支持32個節(jié)點，如果使用特制的485芯片，可以達到128個或者256個節(jié)點，最大的可以支持到400個節(jié)點。

整個系統(tǒng)組成部分全部由太陽能供電，Zigbee模塊通過單片機主控系統(tǒng)與雨量計相連。系統(tǒng)中的通信采用RS485通信協(xié)議。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

由圖1可以看出，單片機主控系統(tǒng)做為連接雨量計和通信模塊的設備，整個系統(tǒng)的運算功能全部由其實現(xiàn)。按預先編好的程序，對雨量進行統(tǒng)計，將統(tǒng)計好的雨量存儲到與之相連的存儲器中并將此時段降雨數(shù)據(jù)發(fā)送至Zigbee通信模塊，由通信模塊傳送至上一級系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)框圖

考慮到雨量點布控的密度大的特點，需要大量的通信模塊，這就要求在若干個模塊的布控范圍內(nèi)設立一臺中轉(zhuǎn)站，即路由器裝置，由每一臺路由器收集其范圍內(nèi)的各通信模塊所傳來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)收集后再次傳到上一級系統(tǒng)，或是上一級路由或是數(shù)據(jù)中心，將雨量傳輸給上一級系統(tǒng)同時與上一級系統(tǒng)進行時間校核，保證各級子系統(tǒng)的時間與數(shù)據(jù)中心的時間保持一致。

4 應用前景

Zigbee無線通信技術(shù)做為短距離的無線通信技術(shù)在眾多領域內(nèi)都有越來越大的作用，其性價比高的特點使其被廣泛的接受，利用Zigbee蜂窩無線通信特性是增加雨量點布控范圍并降低成本的一種切實有效的手段。利用Zigbee技術(shù)在水位監(jiān)測、森林防火監(jiān)測、倉庫報警監(jiān)測、樓宇自動化以及眾多需要范圍廣、密度大的情況下，由于其密度大的特點、使數(shù)據(jù)監(jiān)測中心的定位準確性大大提高，起到非常好的效果。

[1]周怡頤，凌志浩，吳勤勤.Zigbee無線通信技術(shù)及其應用探討[J].自動化儀表，2008（6）.

[2]瞿雷.一種新的無線網(wǎng)絡通信技術(shù)ZigBee[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2007（01）.

[3]張迎新.單片微型計算機原理、應用及接口技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2003，4.

[4]周航慈.單片機應用程序設計技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011，2.