ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在構(gòu)建燃?xì)馕锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要：在基于物聯(lián)網(wǎng)的燃?xì)庠O(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)過(guò)程中，采用基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線通信方案，由數(shù)據(jù)集中器與數(shù)據(jù)采集終端構(gòu)成了可靠有效的底層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。該方案網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大，省去布線工作和工程費(fèi)用，降低安裝和維護(hù)的成本，而且網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容和重新配置十分方便，是現(xiàn)代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不可缺少的組成部分。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)集中器 "數(shù)據(jù)采集終端 "ZigBee "底層網(wǎng)絡(luò)

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用也逐漸走進(jìn)了我們的生產(chǎn)生活中。在燃?xì)庠O(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中，不但需要設(shè)備體積小、微功耗，而且還需要建立設(shè)備本身和運(yùn)行成本都很低的數(shù)據(jù)采集和傳輸終端支撐網(wǎng)絡(luò)?；?ZigBee技術(shù)的無(wú)線通信方案，為該系統(tǒng)的底層網(wǎng)絡(luò)的建立提供了十分有效的解決方案。

一、系統(tǒng)構(gòu)成

該基于物聯(lián)網(wǎng)的燃?xì)庠O(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)由ZigBee/GPRS數(shù)據(jù)集中器網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)采集終端以及遠(yuǎn)程監(jiān)控中心所組成。數(shù)據(jù)集中器網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)采集終端構(gòu)成了底層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)集中器網(wǎng)關(guān)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)，與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，從而對(duì)整個(gè)燃?xì)庠O(shè)備網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)施監(jiān)控，或給燃?xì)庠O(shè)備下達(dá)控制命令。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的燃?xì)庠O(shè)備運(yùn)行監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)示意圖

按照監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要包含三個(gè)方面，分別為遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)、ZigBee底層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的通信程序設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)集中器網(wǎng)關(guān)的GPRS通信程序設(shè)計(jì)。監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)包含了與數(shù)據(jù)集中器網(wǎng)關(guān)的TCP通信軟件設(shè)計(jì)，以及基于數(shù)據(jù)庫(kù)的燃?xì)庠O(shè)備運(yùn)行與控制的數(shù)據(jù)管理軟件設(shè)計(jì)。

二、ZigBee底層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

按照監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的總體設(shè)計(jì)方案，選用ZigBee無(wú)線通信方案，由數(shù)據(jù)集中器與數(shù)據(jù)采集終端構(gòu)成和建立了底層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee技術(shù)是一組基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的短距離無(wú)線通信新興技術(shù)，基于ZigBee的無(wú)線設(shè)備，具有低功耗、低成本、短時(shí)延、低速率、高可靠性、高容量等優(yōu)點(diǎn)，通信距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m擴(kuò)展到幾百米、幾千米，并支持無(wú)限擴(kuò)展[1]。

ZigBee數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)主要完成從智能流量計(jì)等智能燃?xì)庠O(shè)備接收數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線通信方式發(fā)送采集接收到的數(shù)據(jù)，或者接收從數(shù)據(jù)集中器中的ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制命令。數(shù)據(jù)采集終端按照通信模塊的網(wǎng)絡(luò)功能不同，可以分為一般功能的數(shù)據(jù)采集終端以及路由功能的數(shù)據(jù)采集終端。

數(shù)據(jù)集中器中的ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是所管轄的底層網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起者，存儲(chǔ)有所轄ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息[2]。數(shù)據(jù)集中器中ZigBee協(xié)調(diào)器的主要任務(wù)就是組建和維護(hù)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，收集所轄ZigBee網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息，通過(guò)數(shù)據(jù)集中器中的GPRS模塊連接Internet網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃?xì)庠O(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

該系統(tǒng)中ZigBee 網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)控系統(tǒng)的底層網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)燃?xì)庠O(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息的采集上傳，以及控制命令的下達(dá)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，Zigbee設(shè)備可以分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立，以及網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)均具有路由功能。通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離可實(shí)現(xiàn)無(wú)限擴(kuò)展。其節(jié)點(diǎn)的自組織網(wǎng)通信方式見(jiàn)圖2。

圖2 ZigBee底層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)涉及的燃?xì)庠O(shè)備一般都相對(duì)集中，或是一棟樓宇中，或是一個(gè)場(chǎng)站里，距離都不是很遠(yuǎn)，本系統(tǒng)采用了星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由數(shù)據(jù)集中器作為主節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)管理若干子節(jié)點(diǎn)，并且基本沒(méi)有設(shè)計(jì)使用路由節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)終端結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)集中器結(jié)構(gòu)如圖3和圖4所示。

圖3 "ZigBee數(shù)據(jù)終端結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 數(shù)據(jù)集中器結(jié)構(gòu)示意圖

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計(jì)是通過(guò)的通信協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行管理的[3]。目前已有很多可選的ZigBee協(xié)議找方案，本系統(tǒng)選用的是TI公司推出的免費(fèi)下載版本Z-Stack協(xié)議棧。ZigBee協(xié)議棧是對(duì)OSI七層模型的一個(gè)簡(jiǎn)化，它包含物理層、媒體訪問(wèn)控制層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。Z-Stack協(xié)議棧的運(yùn)行是基于一個(gè)最基本的輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)。系統(tǒng)上電后，首先完成軟硬件模塊的一系列初始化工作，為操作系統(tǒng)的運(yùn)行做好準(zhǔn)備。進(jìn)入操作系統(tǒng)后，系統(tǒng)將輪詢每個(gè)任務(wù)中是否有事件發(fā)生，如若存在待處理事件，就執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)[4]。

三、ZigBee設(shè)備通信設(shè)計(jì)

在ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)的IEEE80.215.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包括兩個(gè)物理層： 一個(gè)是全球通用的2.4GHz頻段，傳輸速率250kbps，另一個(gè)是歐洲的868MHz頻段和美國(guó)的915MHz頻段，傳輸速率分別為20kbPs和40kbps。

在這三個(gè)頻段上共劃分有27個(gè)信道，信道的編號(hào)k為0～26。2450MHz頻段上劃分16個(gè)獨(dú)立信道，915MHz頻道有10個(gè)獨(dú)立信道，868MHz頻道上只有1個(gè)信道。27個(gè)信道的中心頻率和對(duì)應(yīng)的信道編號(hào)定義如下：

fc=868.3MHz "k=0

fc= [906+2（k -1）]MHz "k=1，2，3…，10

fc= [2405+5（k -11）]MHz "k=11，12，13…，26

這三個(gè)頻段都是免許可的ISM頻段[5]。

本方案在ZigBee網(wǎng)絡(luò)的硬件實(shí)現(xiàn)上， 選用了 TI公司2.4GHz ISM波段的CC2530芯片系統(tǒng)為解決方案。

圖5 CC2530芯片及其外圍電路

無(wú)線傳輸模塊電路包括CC2530芯片以及其外圍相關(guān)電路。在CC2530芯片當(dāng)中，已經(jīng)將8051單片機(jī)內(nèi)核與無(wú)線收發(fā)模塊集成在了一起，因而極大方便和簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)過(guò)程，免去了單片機(jī)與無(wú)線收發(fā)芯片之間的接口電路部分。設(shè)計(jì)原理圖，如圖5所示，其原理圖主要包括接口電路、3.3V和1.8V電源濾波電路、芯片晶振電路、天線電路、入網(wǎng)指示電路及復(fù)位電路部分。

根據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要求，ZigBee節(jié)點(diǎn)間的通信距離必須大于燃?xì)庠O(shè)備的間距，盡可能的減少使用路由器節(jié)點(diǎn)，因此ZigBee模塊的設(shè)計(jì)必須考慮到通信距離的長(zhǎng)短。

電磁波在空氣中傳播，有很多因素都會(huì)造成信號(hào)的衰減，比如：電磁波在傳播過(guò)程中的正常衰減;大氣層引起的電磁波折射;地面等物體反射波與直接波的干涉效應(yīng)等。

本監(jiān)控系統(tǒng)的ZigBee設(shè)備設(shè)計(jì)工作在2.4GHz頻段，在該頻段的電路設(shè)計(jì)中，很容易因?yàn)镻CB設(shè)計(jì)、阻抗匹配、天線極化等問(wèn)題，造成信號(hào)功率的大幅衰減，實(shí)際傳輸距離要比理論估算要短很多，也就是說(shuō)信號(hào)強(qiáng)度會(huì)嚴(yán)重影響通信距離。

提高節(jié)點(diǎn)之間的通信距離，有助于擴(kuò)大監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的物理覆蓋范圍。因此在本系統(tǒng)的ZigBee模塊設(shè)計(jì)中，不僅使用了增益天線，而且添加了射頻功率放大模塊，即RFX2401C射頻功率放大電路。該芯片內(nèi)部集成了PA，LNA，發(fā)送接收開(kāi)關(guān)電路，相關(guān)匹配網(wǎng)絡(luò)以及諧波濾波器。該芯片具有22dBm的發(fā)射功率，而且外圍電路非常簡(jiǎn)單。該芯片電路如下圖6所示：

圖6 射頻放大電路原理圖

這種基于Zigbee技術(shù)的低成本、低功耗和低速率的無(wú)線通信技術(shù)方案[6]，通過(guò)在燃?xì)庠O(shè)備物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，凸顯出其網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大，省去布線工作和工程費(fèi)用，降低安裝和維護(hù)的成本，而且網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容和重新配置十分方便，是現(xiàn)代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)不可缺少的組成部分，該技術(shù)的推廣應(yīng)用，必將極大加速物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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