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ZigBee(物聯網)無線網絡電能管理系統設計與選型方案

ZigBee(物聯網)無線網絡電能管理系統設計與選型方案

2010/12/8 9:39:00

一.概述

隨著無線通信技術的不斷發展,近年來出現了面向低成本設備無線聯網要求的技術,稱之為ZigBee,它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、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網。
由于ZigBee的優越特性,基于ZigBee技術的無線組網是一種比較合適的下行信道的實現手段。適合應用于一些短距離的無線網絡的組網,例如寫字樓、辦公樓、宿舍樓、工廠等無線抄表網絡,適用于企業內部能耗監測及管理系統,尤其適用于一些布線困難舊樓改造的能耗管理系統中。而若將其與成熟的工業以太網和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控系統,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。
 
 
載波
RS485
ZigBee無線
建網難度
簡單
困難
簡單
一次性投資
一般
較大
運行維護
困難
比較困難
容易
通信速度
可靠性
一般
實時監控
不能
 表1 ZigBee與其他“最后一公里”技術的比較         
 
二.ZigBee技術特點
ZigBee協議基于IEEE 802.15.4標準,從2004年發布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具備強大的設備聯網功能(見圖1),它支持3種主要的自組織無線網絡類型,即星型結構(Star)、網狀結構(Mesh)和樹型結構(Cluster Tree),特別是網狀結構,具有很強的網絡健壯性和系統可靠性。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:
1 ZigBee網絡拓撲分類
(1)工作周期短、收發信息功耗較低,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,全功能的主節點需要32KB代碼,子功能節點少至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),滿足低速率傳輸數據的應用需求。ZigBee的響應速度較快,一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms,節點連接進入網絡只需30ms,進一步節省了電能。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發射功率后,亦可增加到1~3 km。這指的是相鄰節點間的距離,若通過路由和節點間通信的接力,擴展后達到幾百米甚至幾公里。ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構。由一個主節點管理若干子節點,最多一個主節點可管理254個子節點。
(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務預留了專用時隙,避免了發送數據時的競爭和沖突。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據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)免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業科學醫療(Industrial Scientific Medical,ISM)頻段,分別為2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲)。
 
ZigBee(物聯網)無線網絡電能管理系統表計的選型方案
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