ZigBee無線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討

譚亮

摘 要：通信技術(shù)是工業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展過程中的關(guān)鍵技術(shù)手段之一，隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，無線通信技術(shù)已經(jīng)滲透到人們生活的方方面面，應(yīng)用十分的廣泛。ZigBee無線通信技術(shù)是一項基于互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的通信技術(shù)，具有成本低、功耗低等特點(diǎn)，本文主要ZigBee無線通信技術(shù)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)進(jìn)行簡要的分析，重點(diǎn)討論ZigBee無線通信技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用問題。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無線通信技術(shù)；電力監(jiān)控系統(tǒng)；實(shí)踐應(yīng)用

1 ZigBee無線通信技術(shù)概述

ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性安全性好等優(yōu)點(diǎn)。ZigBee的傳輸速率比較低，一般在20/250kpbs左右，發(fā)射功率在1mW左右，設(shè)備采用休眠模式，因此耗電率非常低，一般情況下，2節(jié)五號電池可以為ZigBee設(shè)備供電6～24個月左右。ZigBee的初始成本較低，且ZigBee協(xié)議免專利費(fèi)，因此ZigBee無線通信技術(shù)的成本非常低。ZigBee技術(shù)的休眠狀態(tài)激活時延及通信時延都比較短，一般情況下，休眠激活時延以及活動設(shè)備接入時延在15ms左右，設(shè)備搜索時時延在30ms左右，在一些時延要求十分苛刻的無線控制場合應(yīng)用ZigBee技術(shù)優(yōu)勢明顯。ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)容量較大，通常情況下，一個星型結(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納一個主設(shè)備和254個從設(shè)備。ZigBee網(wǎng)絡(luò)采取碰撞避免原則，為需要固定寬帶的業(yè)務(wù)預(yù)留有一定的時隙，發(fā)送數(shù)據(jù)時可以避免競爭及沖突。MAC層采用完全確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸模式，數(shù)據(jù)包發(fā)送完成之后，對方必須要對信息接收狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，如果出現(xiàn)問題要及時重發(fā)。ZigBee具有數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，同時采用AES-128加密算法，保證了各應(yīng)用的安全性。除此之外，ZigBee技術(shù)的抗干擾能力較強(qiáng)，信號傳輸過程中能夠避免受到外來已知信號的干擾。

2 ZigBee無線通信技術(shù)的應(yīng)用

受到傳輸數(shù)據(jù)量、功耗等因素的影響，ZigBee技術(shù)一般情況下主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備眾多、通信覆蓋面積較大的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，主要提供無線檢測及監(jiān)控的功能。下文主要就ZigBee技術(shù)在電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用問題進(jìn)行簡單的討論分析。

一般情況下，電力監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)部信息主要可以分為過程層、間隔層以及變電站層三層，它們分別承擔(dān)著不同的功能，監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)運(yùn)行時，采用兩層通信結(jié)構(gòu)，間隔層設(shè)備與過程層設(shè)備采用ZigBee協(xié)議，變電站與間隔層設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議。三層間數(shù)據(jù)通信時，首先ZigBee通信數(shù)據(jù)包格式經(jīng)過傳輸后被監(jiān)測線路參數(shù)的電力儀表接收，然后儀表會上傳相關(guān)的命令，將采集到的電參數(shù)或者電能封裝成ZigBee通信數(shù)據(jù)包，之后將該數(shù)據(jù)包傳送到微機(jī)保護(hù)裝置或者測控裝置，這兩種裝置接收到數(shù)據(jù)包信息之后會按照原路徑返回，將確認(rèn)信息發(fā)送到之前傳送數(shù)據(jù)包的電力儀表之中，此時，一次完整的ZigBee握手通信完成。最后，由相關(guān)設(shè)備將接收到的ZigBee通信數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為Modbus數(shù)據(jù)幀，該數(shù)據(jù)幀繼續(xù)傳送到變電站層后臺主機(jī)，后臺主機(jī)按照原路徑反饋確認(rèn)信息，并將該數(shù)據(jù)幀發(fā)送到微機(jī)保護(hù)裝置或者監(jiān)控裝置，此時一次完整的Modbus通信完成。后臺主機(jī)下達(dá)命令時的傳輸流程與該過程正好相反。

該通信傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)報文以及ZigBee數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)，具體的系統(tǒng)設(shè)計過程中可以將Modbus數(shù)據(jù)幀加載到ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

實(shí)際的電力線路遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計工作之中，可以將間隔層與過程層中心位置的設(shè)備作為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)層向MAC層發(fā)送請求，MAC層會分配信道，協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體會為新建網(wǎng)絡(luò)分配PAN標(biāo)識符，當(dāng)另外的ZigBee協(xié)調(diào)器掃描信道時，協(xié)調(diào)器會自動響應(yīng)。新的網(wǎng)絡(luò)建立后，間隔層及過程層設(shè)備以終端設(shè)備或路由器的身份加入網(wǎng)絡(luò)。ZigBee設(shè)備的通信范圍相對較小，為了保證整個電力線路監(jiān)控系統(tǒng)的所有信息都能夠及時的傳輸，需要在網(wǎng)絡(luò)中加入一些路由器，利用路由器的中繼作用，實(shí)現(xiàn)所有終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器之間的通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，所有的ZigBee設(shè)備都有一個唯一的64bitEEE地址，設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后，可以將該地址數(shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行識別，設(shè)備地址唄識別后根據(jù)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的位置，重新分配一個16bit的網(wǎng)絡(luò)地址，在協(xié)調(diào)器中另外生成一張其他設(shè)備的IEEE地址，ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址定向即完成。間隔層與過程層設(shè)備的IEEE地址是唯一的，Modbus地址則指的是用來選通要聯(lián)絡(luò)的從設(shè)備的地址，通過綁定IEEE地址及Modbus地址可以解決網(wǎng)絡(luò)中地址定向問題。

3 結(jié)束語

隨著我國物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，ZigBee技術(shù)受到了各行各業(yè)的關(guān)注，目前已經(jīng)應(yīng)用于許多行業(yè)之中，比如醫(yī)院、地鐵施工、電力監(jiān)控系統(tǒng)等等，受篇幅所限，本文不在一一贅述，僅簡單分析ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)，就ZigBee技術(shù)在電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了探討，希望能夠?yàn)樾袠I(yè)內(nèi)有關(guān)研究人員的工作提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]周惠椒，譚喜堂，朱琴躍，等.ZigBee無線通信技術(shù)在電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電器與能效管理技術(shù)，2011，（18）：36-41.

（作者單位：國網(wǎng)安徽省電力公司霍邱縣供電公司）