ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡電能管理系統(tǒng)設計與選型方案
2010/12/8 9:39:00
一．概述
隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設備無線聯(lián)網(wǎng)要求的技術，稱之為ZigBee，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制、遠程控制領域及家用設備聯(lián)網(wǎng)。
由于ZigBee的優(yōu)越特性，基于ZigBee技術的無線組網(wǎng)是一種比較合適的下行信道的實現(xiàn)手段。適合應用于一些短距離的無線網(wǎng)絡的組網(wǎng)，例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網(wǎng)絡，適用于企業(yè)內(nèi)部能耗監(jiān)測及管理系統(tǒng)，尤其適用于一些布線困難舊樓改造的能耗管理系統(tǒng)中。而若將其與成熟的工業(yè)以太網(wǎng)和GPRS/CDMA上行信道結合，與后臺管理主站組成一個完整的集抄和監(jiān)控系統(tǒng)，則可以為遠程管理提供一個有效的解決方案。ZigBee與其他最后一公里通訊技術比較見表1。
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載波
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RS485
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ZigBee無線
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建網(wǎng)難度
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簡單
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困難
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簡單
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一次性投資
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小
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一般
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較大
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運行維護
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困難
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比較困難
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容易
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通信速度
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低
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高
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高
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可靠性
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差
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一般
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好
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實時監(jiān)控
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不能
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能
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能
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表1 ZigBee與其他“最后一公里”技術的比較
二．ZigBee技術特點
ZigBee協(xié)議基于IEEE 802.15.4標準，從2004年發(fā)布ZigBee V1．0到最新的增加了ZigBee-PRO擴展指令集的ZigBee2006版本，ZIGBEE功能不斷強大。ZigBee具備強大的設備聯(lián)網(wǎng)功能（見圖1），它支持3種主要的自組織無線網(wǎng)絡類型，即星型結構（Star）、網(wǎng)狀結構（Mesh）和樹型結構（Cluster Tree），特別是網(wǎng)狀結構，具有很強的網(wǎng)絡健壯性和系統(tǒng)可靠性。與目前普遍應用的wi-Fi、Bluetooth等短距離無線通訊技術相比較，ZigBee的特點主要有：
圖1 ZigBee網(wǎng)絡拓撲分類
（1）工作周期短、收發(fā)信息功耗較低，并且RFD（Reduced Function Device，簡化功能器件）采用了休眠模式，不工作時都可以進入睡眠模式。
（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，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4 KB代碼。
（3）低速率、短延時。ZigBee的最大通信速率達到250 kb／s（工作在2．4 GHz時），滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30ms，進一步節(jié)省了電能。相比較，藍牙需3～10 S、Wi-Fi需3 S。
（4）近距離，高容量。傳輸范圍一般介于10～100 m，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，若通過路由和節(jié)點間通信的接力，擴展后達到幾百米甚至幾公里。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構。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。
（5）高可靠性和高安全性。ZigBee的媒體接入控制層（Medium Access Control，MAC）采用CSMA/CA的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。ZigBee還提供了3級安全模式，包括無安全設定、使用接人控制清單防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標準（AdvancedEncryption Standard，AES）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
（6）免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療（Industrial Scientific Medical，ISM）頻段，分別為2．4 GHz（全球）、915 MHz（美國）和868 MHz（歐洲）。
三 ZigBee（物聯(lián)網(wǎng)）無線網(wǎng)絡電能管理系統(tǒng)表計的選型方案
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應用場合
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型號
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