Zig Bee技術(shù)及其應(yīng)用低壓電器(2005N7計(jì)算機(jī)及? Zig bee技術(shù)及其應(yīng)用PLC應(yīng)用江修波(福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)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(diǎn),基于IEEE802.15.4的無(wú)線通信協(xié)議— ZigBee及其技術(shù),闡述了 ZigBee Mesh的主要技術(shù)特征和組網(wǎng)方式,并綜述了 ZigBee技術(shù)在家居控制、樓宇自動(dòng)化和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)。關(guān)鍵詞: ZigBee技術(shù);Mesh網(wǎng)絡(luò);家居控制;樓字自動(dòng)化;工業(yè)自動(dòng)化中圖分類號(hào):TP393.03文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1001-5531(2005)07-0027403作者:江修波(1960-),男,講師要研究方向?yàn)殡奪ig Bee Technology and Its application工電子新技術(shù)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(shù)為滿足小型、低成本設(shè)備的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)要求,ZigBee是基于IEEE802.15.4的無(wú)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(shè)組,致力于定義一種適于固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使備如溫度調(diào)節(jié)裝置、照明控制器、鎮(zhèn)流器、環(huán)境檢用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線連接測(cè)傳感器與醫(yī)療設(shè)備等,其低功耗可使設(shè)備電池技術(shù)— ZigBee技術(shù)。 ZigBee聯(lián)盟成立于2002使用壽命達(dá)到6個(gè)月至2年。年8月,由英國(guó) Invensys公司、日本三菱電氣公一個(gè)基于 ZigBee的無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)能司、美國(guó)摩托羅拉公司、荷蘭飛利浦半導(dǎo)體等公司支持高達(dá)254個(gè)節(jié)點(diǎn),外加一個(gè)全功能器件,即可組成,迄今已吸引了上百家芯片公司、無(wú)線設(shè)備公實(shí)現(xiàn)雙向通信。 ZigBee技術(shù)的較低數(shù)據(jù)速率以及司及產(chǎn)品開發(fā)商,將主要側(cè)重于:①定義網(wǎng)絡(luò)、安較小通信范圍的特點(diǎn)決定了 ZigBee技術(shù)適于承全以及應(yīng)用軟件層的協(xié)議;②為 ZigBee設(shè)備提供載數(shù)據(jù)量較小的業(yè)務(wù)互操作與一致性測(cè)試;③促進(jìn) ZigBee技術(shù)在全球1.1 ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)的推廣;④有效管理該技術(shù)的發(fā)展。ZigBee的協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1所示,它由高層應(yīng)ZigBee是一種低使用成本、商業(yè)型的應(yīng)用技用規(guī)范、會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組術(shù),其無(wú)線裝置減少了傳統(tǒng)電氣工程施工費(fèi)用,解成。IEF4T作組豐要負(fù)責(zé)制定物理層決了現(xiàn)場(chǎng)安裝困難的問題;其采用數(shù)字技術(shù),消除和M中國(guó)煤化工參照和采用現(xiàn)有了傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)的不可靠性及其他技術(shù)問題。因的標(biāo)CNMHG此,隨著 ZigBee技術(shù)的不斷完善,它將成為當(dāng)今1.2物理層最先進(jìn)的數(shù)字化無(wú)線技術(shù)IEEE802.15.4定義了24GHz和868/915低壓電器(2005N7)ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用915MHz頻段(902~928MHz)被劃分為10會(huì)聚層個(gè)信道,數(shù)據(jù)傳輸速率為20kb/s;868MHz頻段(868.3MHz)有1個(gè)信道,數(shù)據(jù)傳輸速率為20網(wǎng)絡(luò)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(jìn)制移相鍵邏輯鏈路輯鏈路控制層控制層控(BPSK)調(diào)制,用碼片長(zhǎng)度為15的M序列直接IEEE 802.15擴(kuò)頻媒質(zhì)接入控制層1.3MAC層869 MHz/915 MHz/2,4 GH,EEE802系列標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)制( Media Access Control,MAC)兩個(gè)子層。其MHz兩個(gè)物理層,它們基于直接序列擴(kuò)頻( Direct中,LC子層在正EE802.6中定義為IEE802Sequence Spread Spectrum,DSs數(shù)據(jù)包格式,兩標(biāo)準(zhǔn)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(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度理層和傳輸速率。IEEE802.15.4的MAC層支持多種LLC標(biāo)ZigBee物理層分組結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中前準(zhǔn),通過scs( Service-Specific Convergence Sub-導(dǎo)碼4Byte,主要用于前導(dǎo)同步;分組定界1By, layer)業(yè)務(wù)相關(guān)會(huì)聚子層協(xié)議承載IEE8022類標(biāo)志分組的開始;物理層頭1Byte,表示數(shù)據(jù)單型的LLC標(biāo)準(zhǔn),且允許其他LC標(biāo)準(zhǔn)直接使用的長(zhǎng)度;數(shù)據(jù)單元用于承載傳輸數(shù)據(jù)IEEE802.15.4MAC層的服務(wù)?？紤]到 ZigBee MAC層的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能地降前導(dǎo)碼分組定界物理層頭物理層低成本、易于實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸可靠、短距離操作以及低功耗,因此采用了簡(jiǎn)單靈活的協(xié)議,其幀有4128 Byte種類型:數(shù)據(jù)幀、標(biāo)志幀、命令幀和確認(rèn)幀,其一般圖2 ZigBee物理層分組結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖3所示。(1)2.4GHz頻段。該頻段為全球統(tǒng)一無(wú)需WFR)申請(qǐng)的ISM頻段,有助于 ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。該頻段物理層通過采用高階調(diào)制圖3 ZigBee幀結(jié)構(gòu)技術(shù),可獲得更高的吞吐量、更小的通信時(shí)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(gè)信的信道接入方式和完全握手協(xié)議,其數(shù)據(jù)傳輸方道,數(shù)據(jù)傳輸速率為250kb/s,碼元速率為62.5式如圖4所示。kbaud,.用16進(jìn)制正交調(diào)制,并用碼片長(zhǎng)度為81.4 Zigbee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的偽隨機(jī)碼直接擴(kuò)頻。ZigBee支持3種通信設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?即(2)868/915MHz頻段。為了避免干擾,歐Star、Mesh和 Cluster Tree。其中,Star(星形)網(wǎng)絡(luò)洲還采用868MHz頻段,美國(guó)采用915MHz頻段是一種常用且適用于長(zhǎng)期運(yùn)行使用操作的網(wǎng)絡(luò);作為 ZigBee的工作頻段。上述這些頻段比較相Mesh網(wǎng)絡(luò)是一種高可靠性檢測(cè)網(wǎng)絡(luò),它通過無(wú)線近,對(duì)信號(hào)合成器的程序稍作改動(dòng)就可使用相似網(wǎng)絡(luò)連接可提多個(gè)物掘誦信通道,即它是一個(gè)的硬件,從而降低生產(chǎn)成本。高級(jí)中國(guó)煤化工數(shù)據(jù)通信發(fā)生故上述頻段無(wú)線信號(hào)傳播損耗較小,可降低對(duì)障CNMHG通信; Cluster Tree接收機(jī)靈敏度的要求,獲得較遠(yuǎn)的通信距離,即可網(wǎng)絡(luò)是Star/Mesh的混合型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),結(jié)合了上用較少的設(shè)備覆蓋較大的區(qū)域。述兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用低壓電器(2005N7)發(fā)送端2 ZigBee技術(shù)的應(yīng)用數(shù)據(jù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)確認(rèn)發(fā)送端ZigBee技術(shù)目前已在家居控制、樓宇自動(dòng)化MAC數(shù)據(jù)鎖信號(hào)接入與工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域得到初步的應(yīng)用,在上述領(lǐng)數(shù)據(jù)賴域的應(yīng)用特點(diǎn)綜述如下。2.1家居控制數(shù)據(jù)請(qǐng)求數(shù)據(jù)指示(1)控制功能。可靈活地管理家庭內(nèi)部任何位置的照明、供熱及空調(diào)系統(tǒng),并通過自動(dòng)控制家居系統(tǒng)以改善其節(jié)能、便利及安全性。圖4 ZigBee數(shù)據(jù)傳輸方式(2)節(jié)能。可獲取詳細(xì)的電力、自來(lái)水及燃以下介紹基于Mesh的zgee組網(wǎng)技術(shù)(見氣等的使用數(shù)據(jù),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(dǎo)線就可安裝、升級(jí)或組成家居控制系統(tǒng),并可由單一的遠(yuǎn)程控制裝置管理多個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。(4)安全性。無(wú)線傳感器易于安裝且可監(jiān)控HD(mD)各種環(huán)境參數(shù)并可自動(dòng)監(jiān)測(cè)異常事件報(bào)警信號(hào)2.2樓宇自動(dòng)化(1)控制功能?？梢惑w化集中管理照明、暖通空調(diào)與安防系統(tǒng),并通過自動(dòng)控制樓宇系統(tǒng)以圖5基于Mesh的 ZigBee組網(wǎng)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(diào)以達(dá)到節(jié)由圖5可知,在Meh網(wǎng)絡(luò)中有3種關(guān)型的省能源消耗的目的,并基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際消耗數(shù)據(jù)實(shí)ZigBee設(shè)備:現(xiàn)準(zhǔn)確的用戶能耗數(shù)據(jù)計(jì)量。(1)簡(jiǎn)化功能器件( Reduced Function De(3)便利性?？煽焖僦貥?gòu)照明系統(tǒng)以滿足現(xiàn)vce,RFD)。RFD在Meh網(wǎng)絡(luò)中作為源節(jié)點(diǎn),只場(chǎng)辦公及工作區(qū)域的需要,并可方便地實(shí)現(xiàn)樓宇發(fā)送與接收信號(hào),并不起轉(zhuǎn)發(fā)器/路由器的作用。系統(tǒng)架構(gòu)的擴(kuò)展與升級(jí)。(2)全功能器件( Full function device(4)安全性。通過多個(gè)傳輸路由實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)FFD)。在Mesh網(wǎng)絡(luò)中,FFD是具有轉(zhuǎn)發(fā)與路由數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)化與集成化管理,并采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提能力的節(jié)點(diǎn)。如FFD的信息傳輸路由失效或肜高信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸可靠性。離網(wǎng)絡(luò),則將有另一個(gè)鄰近的FFD節(jié)點(diǎn)快速地承2.3工業(yè)自動(dòng)化擔(dān)起數(shù)據(jù)傳送至目的地的作用。因此, ZigBeeMesh是自構(gòu)或自愈型網(wǎng)絡(luò),其節(jié)點(diǎn)間是完全握手(1)控制功能。可靠地?cái)U(kuò)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(guān)鍵設(shè)備提高對(duì)設(shè)方式,使得信號(hào)可準(zhǔn)確及成功地到達(dá)適當(dāng)?shù)哪康膫滟Y產(chǎn)的管理。地(3)網(wǎng)絡(luò)主機(jī)或網(wǎng)關(guān)。 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(dá)到節(jié)省能源消耗的目的,并可診斷出性能惡化或運(yùn)行節(jié)點(diǎn),即網(wǎng)絡(luò)主機(jī)或網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),起到與外部系統(tǒng)接效率低下的設(shè)備?？诨騾f(xié)調(diào)與其他Mesh網(wǎng)絡(luò)的路由作用。(3)效率。采用遠(yuǎn)程傳感器數(shù)據(jù)自動(dòng)采集由圖5可以看出,一個(gè)信號(hào)由左上角的RFD可減山中國(guó)煤化工提供詳細(xì)的運(yùn)行產(chǎn)生路經(jīng)4個(gè)FED,最終達(dá)到 Gateway網(wǎng)關(guān)。圖數(shù)據(jù)中的細(xì)線表示還有可能的信號(hào)傳輸路徑。CNMHG(下轉(zhuǎn)第33頁(yè))29一基于DSP和CPLD的開關(guān)礎(chǔ)阻電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制器低壓電器(2005‰7)5000ns1.0μs1.5us2.0ps2.5μs3.0μs35sHEn_圖5電流定時(shí)斬波仿真波形[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,19945結(jié)束語(yǔ)[2]黃建中,蔣全,周鶚,等.開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的控利用DSP和CPLD組成的開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)全制模式[J.電氣傳動(dòng),1997,5:10-13數(shù)字控制器完全滿足了高速開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)對(duì)3]王宏華開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制技術(shù)[M].北實(shí)時(shí)性的要求,并具有可靠性高、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998點(diǎn)。隨著開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用和CPLD技4]宋萬(wàn)杰,CPLD技術(shù)及其應(yīng)用[M.西安西安電子科技大學(xué)出版社,1999術(shù)的不斷發(fā)展,將逐步實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的無(wú)5] Choo Y B. 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