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ZigBee:把传感器网络从战场带到民用
b03212316 | 2007-11-09 22:18:52    阅读:1280   发布文章

 ZigBee一词来源于蜜蜂(Bee)之间通过锯齿形舞蹈(ZigZag)相互传递花粉位置信息的行为,是2004年确立的一项低功耗、低速率无线网络技术标准(IEEE802.15.4),主要用于WSN(Wireless Sensor Network,无线传感器网络)的部署。

  WSN最早用于军事目的和环境监控,可负责战区安全监控和温度、亮度、湿度等的数据采集任务,因此ZigBee传输速率在10kb/s ~ 250kb/s,可用于提供楼宇自动化(居家及商业)和工厂自动化控制的无线数据连接,适合电力、燃气、水力公司进行能源管理与效能计划,而语音、视频等大数据量传输工作则不是ZigBee的主要定位。

  居家控制自动化

  使用具备ZigBee功能的楼宇控制装置,可轻松享受居家自动化的便利。住户利用ZigBee 居家网络,使用手机、PDA、或遥控器等单一装置即可控制屋内电器;用户可以使用手机发送回家的讯号,网络系统即会运行自动识别装置,并执行开灯、改变安防系统警戒状态、切换温控模式等操作。屋主也可以使用居家控制系统调整环境条件,例如内建于花园灌溉系统的感应器会读取水位,视房屋周边泥土中的水位

 
读数而自动关闭或开启;外部照明控制系统会在冬季白昼缩短时早一点启动,而在夏季日照增加时会自动晚一点启动;许多国家鼓励人们在电力消耗的低峰时段使用家电用品,ZigBee感应器则可以自动找出不同家电的最佳使用时段,以减少电费支出。

  除住户以外,建筑商也能借助ZigBee技术对房屋进行方便的改装。建筑商不需改变旧有线路,或增加新线路,就可以轻松重新装配暖气、照明、安防等系统的控制。ZigBee的“自修复(Self-Healing)”特性可以让建筑和物业服务提供商较少的担心无线连接的可靠性,较低的功耗也减少了服务成本,一般使用标准AA碱性电池可使设备的运行维持数年 (确切时间长短视使用情况而定),使用锂离子电池甚至可以维持十年之久,建筑商或住户可以安心把 ZigBee 装置安装在不易拿取的地方,或甚至是安装在没有电线连接电源的地点。

  能源管理与效能

  应用ZigBee技术可实现高效能源管理,实现节能减排。在家用方面,系统可以监测房间里是否有人住,并进行自动温度控制,如果房间里没人,系统可自动把空调温度调低。北美有两家比较大的连锁酒店正在使用这种解决方案,可减少能耗40%;公共设施方面,ZigBee技术可用于路灯亮度的管理,只要环境亮度足够,或者路灯旁边有比较明亮的广告牌,系统就可以自动把路灯亮度降低,实现电能的合理利用。

  先进读表基础设施 (AMI) 与ZigBee提高了管理效能,还具备了能应对紧急状况的新工具与实时数据传送等附加优势。分析师预测,先进读表系统可将客户用量与仪表数据带入电厂“中央神经系统”中,例如,若停电影响了某个地区的住宅或公司,电力公司可以在数秒内就能够精确找出该故障区域。电力公司会从停电区域内的大楼网络中收集数据,使用远程开关重新建立电力网络的供电路径,进而隔离故障区域,因此无须派人至现场修复,即能在数分钟内让受到影响的多数消费者恢复正常用电。在大范围停电期间,将修理工人分派至故障确切发生地点,就能比以前更快恢复供电。将电力中断的情形降至最低,收益损失的风险也会随之降低。

  与其他无线技术的比较

  很多人会把ZigBee与其他无线技术,如Bluetooth或Wibree等进行比较。对此,ZigBee联盟主席Bob Heili博士表示,就应用曲线来讲,Bluetooth已经在曲线的后面,而ZigBee才是刚刚开始。ZigBee之所以作为一项标准存在,是因为Bluetooth不是一个传感器网络技术,只是一个无线通讯网络终端。相对Bluetooth,ZigBee的传输速率较低,这主要是其应用场景的需求决定的,ZigBee面对WSN,用于数据传输,所以几百kb每秒已经足够,当然除数据之外,还可以进行声音和低帧率(15fps以下)图像信息的传输,只不过这两者目前都不是实时的;而Wibree针对星型网络的设计并不适用于WSN的应用,而且只能实现不超过8个节点(Node)的有限控制能力制约了它的应用领域。

  代表性解决方案

  德州仪器(TI)的ZigBee定位检测解决方案CC2431是其推出的带有硬件定位引擎的SoC,以满足低功耗ZigBee/IEEE 802.15.4无线传感器网络应用的需求。这款来自Chipcon产品系列的器件可满足多种应用要求,其中包括资产和设备跟踪、库存控制、病患监护、远程控制、安全监控网络等应用,此外,TI的ZigBee协议栈Z-Stack还提供有关支持。

  CC2431建立在针对低功耗RF应用的SoC解决方案CC2430的基础之上。CC2431基于RSSI的定位引擎能根据接收信号强度与已知CC2430参考节点位置准确计算出有关节点位置,然后将位置信息发送给接收端,如电脑、PDA、手机等。相比于集中型的定位系统,RSSI功能降低了网络流量与通信延迟,在典型应用中可实现3m~5m的精度。
 TI负责高性能模拟业务部的高级副总裁Art George指出:“在Z-Stack的支持下,CC2431提供了极最具竞争力的ZigBee解决方案,充分表明了Chipcon产品系列的创新性。客户现在能开发出更加安全可靠、功能强大的无线网络,同时还能缩短产品上市时间,尽可能降低生产成本。”

  Freescale的ZigBee解决方案,包括RFIC、MCU、参考设计、开发工具包和相关软件,其最新的MC1322x平台(Platform in Package,PiP)较前几代产品在计算能力上有很大提升。

  Freescale的第一代ZigBee产品MC1319x/20x采用双芯片设计,尺寸较大,达到300mm2,外部组件成本也较高(需要16个外部组件,如外部RF适配组件、不平衡变压器等,成本高于1美元);经过第二代MC1321x之后,第三代MC1322x采用独创的PiP构架,尺寸小于110mm2,无须任何外部组

 
件,所有RF组件和不平衡变压器都包含在MC1322x平台中,运行时只需连接晶振和天线。成本下降了67%以上。

  MC1322x平台应用32位ARM7处理器,数据传输方面可采用Freescale专有的TurboLink模式,使速率可达2Mbps以上,且可与IEEE 802.15.4协议256kbps速率的标准模式相互切换,把ZigBee技术的应用范围扩大到压缩音频、文件、内部通信系统方面的新领域。同时,MC1322x在功耗方面的性能优秀。平台在运行MCU时,收发电流小于20mA,非常适合钮扣电池应用,3.6V ~ 1.8V的运行电压也使电池寿命较前代产品延长1.5倍。

  Freescale同时还提供BeeKit Wireless Connectivity Toolkit开发环境,提供了无线联网库、应用模板、综合代码库,以及友好的用户界面(GUI),可自动确认设置的参数,生成向集成开发环境(IDE)导入的工作空间文件,实现通过XML的连续开发和调试。该开发环境可用于各种无线联网实施方案的创建、修改和更新。此外,BeeKit还可实现轻松扩展,以支持新的代码库和功能。

  曼博无线远程抄表系统是曼博科技(Mambo Technologies)为水、电、燃气以及供热等公用事业开发的解决方案,其结合了ZigBee技术、互联网技术和电子政务模式,由智能化表网系统、衔接智能表网与互联网的基站、基于互联网的公用事业业务管理系统、通用计费系统、网上支付中心和公用事业服务门户网站等软硬件部分组成。该系统全面地提高公用事业的效率和服务水平,并实现有效的能源管理,系统设计的可扩展性和可适应性也可以保证与任何其他系统的无缝连接,可支持未来的智能家庭和智能社区的应用的开发和信息的传输。

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