ZigBee無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用研究

劉黎明，陳天喜，陳凱（株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司，湖南株洲，412001）

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ZigBee無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用研究

劉黎明，陳天喜，陳凱
（株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司，湖南株洲，412001）

隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的快速發(fā)展，用于終端間直接通信的各類(lèi)短距離無(wú)線通信技術(shù)越來(lái)越有市場(chǎng)。無(wú)論是手機(jī)使用的耳機(jī)、藍(lán)牙，還是衛(wèi)星、GPS定位等都離不開(kāi)無(wú)線通信技術(shù)。基于此，本文詳細(xì)介紹了Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)的原理和特點(diǎn)，闡述了其在城市軌道交通行業(yè)、醫(yī)療監(jiān)控、家庭智能網(wǎng)絡(luò)無(wú)線控制等中的相關(guān)應(yīng)用，分析了Zig Bee和GPRS技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用方案等。

ZigBee無(wú)線通信技術(shù)；應(yīng)用研究；家庭智能

引言

目前使用的藍(lán)牙受到技術(shù)因素的影響，存在著研發(fā)成本高、傳輸不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，制約了藍(lán)牙技術(shù)的普及應(yīng)用。因此研發(fā)傳輸可靠性高、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性能好的無(wú)線通信技術(shù)，也就是新型的Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)已經(jīng)成為目前主要技術(shù)潮流。Zig Bee是基于 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一類(lèi)近距離無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)，具備成本較低、功耗較小、低速率、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)［1］，Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)在城市軌道交通系統(tǒng)、醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)、智能家居系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

1　Zig Bee 無(wú)線通信技術(shù)的基本原理

Zig Bee該技術(shù)原理是利用距離相對(duì)較短、能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)使用者之間相互進(jìn)行通信的目的。Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)的安全性、組網(wǎng)能力、軟件尋址等技術(shù)都是建立IEEE頒布的802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上。Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)比較適用于信息、數(shù)據(jù)等流量小的各種業(yè)務(wù)，因?yàn)檫@樣能夠很容易將其嵌入體積小、方便攜帶的各類(lèi)通信設(shè)備上。Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)也具備優(yōu)異的地理定位性能［2］。目前，Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)在我國(guó)很多領(lǐng)域都得到了充分應(yīng)用，比如醫(yī)療機(jī)構(gòu)、工業(yè)領(lǐng)域、智能居家等環(huán)境。不少相關(guān)的技術(shù)研究人員很是看好Zig Bee無(wú)線通信，并預(yù)言其在未來(lái)會(huì)得到更為廣泛的應(yīng)用。

2　Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)的特點(diǎn)

2.1傳輸可靠性高

Zig Bee的數(shù)據(jù)鏈路層運(yùn)用了CSMA-CA（ 載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免）技術(shù)，這類(lèi)技術(shù)是利用競(jìng)爭(zhēng)仲裁來(lái)處理數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)中所產(chǎn)生的沖突。如果網(wǎng)絡(luò)傳輸量較小時(shí)，產(chǎn)生沖突的機(jī)率也就較小，進(jìn)而使得網(wǎng)絡(luò)的吞吐量不斷增大，傳輸速率提高，從而提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.2成本極低

Zig Bee 無(wú)線通信技術(shù)之所以能以較快的速度發(fā)展并得到廣泛的應(yīng)用，主要是得益于其非常低的生產(chǎn)生本。就目前來(lái)說(shuō)，最為基礎(chǔ)的Zig Bee模塊的成本僅為五十元左右，而且其自身無(wú)線通信技術(shù)的協(xié)議等都是不需要任何成本投入的。這樣一來(lái)，低成本就在很大程度上推動(dòng)了 Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展。

2.3網(wǎng)絡(luò)容量較大

Zig Bee有三類(lèi)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分別為：星型、簇狀性和網(wǎng)狀性。每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主節(jié)點(diǎn)最多能管理255個(gè)子節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)也能由上一層的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，這樣一來(lái)，大約可以構(gòu)成68000個(gè)節(jié)點(diǎn)的超大型網(wǎng)絡(luò)，從而大大增加了Zig Bee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)容量。

2.4安全性較好

最新研發(fā)的 Zig Bee 無(wú)線通信技術(shù)主要利用了數(shù)據(jù)包完整、科學(xué)、可靠的檢測(cè)性能，不但可以做到識(shí)別、支持認(rèn)證以及簽權(quán)，而且還可以應(yīng)用AES-128這一加密型算法。這些功能的有機(jī)結(jié)合，Zig Bee 無(wú)線通信中的所有軟件、應(yīng)用就都能夠極為便利地認(rèn)證其自身的安全、可靠性。除此之外，其還應(yīng)用了摩擦避免對(duì)策，也為日后擴(kuò)充安裝其他通信工程保留了充足的空間，從而很好地減少了往后傳輸數(shù)據(jù)、流量的沖突等問(wèn)題。

3　Zig Bee 無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用

3.1城市軌道交通行業(yè)

軌道交通是近些年新起的一類(lèi)交通行業(yè)，在很大程度上緩解了城市交通擁擠的狀況。而軌道交通中設(shè)備與列車(chē)的運(yùn)行狀況將直接影響到車(chē)上乘客及乘務(wù)員的生命安全，因此為了有效保證人員的安全，需要展開(kāi)密切的監(jiān)測(cè)工作。由于Zig Bee 無(wú)線通信技術(shù)具有低能耗、低成本、時(shí)延較短等一系列的特點(diǎn)，成了軌道交通行業(yè)展開(kāi)監(jiān)測(cè)工作的最佳選擇工具。另外，Zig Bee 無(wú)線通信技術(shù)比較適合短距離通信，所以必須結(jié)合傳輸速率較高的遠(yuǎn)距離通信技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)其在軌道交通行業(yè)中發(fā)揮更好的監(jiān)測(cè)效果。因此，在軌道交通列車(chē)的監(jiān)測(cè)中，通常把Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合，這樣就完成了傳輸距離遠(yuǎn)、安全性較高、成本較低的列車(chē)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。圖1為Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合后的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2醫(yī)療監(jiān)控以及其通信傳輸

首先，醫(yī)院的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中必將存有一個(gè)相關(guān)的數(shù)據(jù)管理中心，通常來(lái)說(shuō)，為了看護(hù)人員可以及時(shí)、準(zhǔn)確地看到主治醫(yī)生和病患所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、信息，醫(yī)院中的數(shù)據(jù)管理中心將會(huì)設(shè)立在護(hù)士日常值班的地方［3］。在這個(gè)極為重要的數(shù)據(jù)管理中心里，會(huì)設(shè)有一個(gè)Zig Bee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，其主要的作用就是將所有病房里的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)管理中心的網(wǎng)絡(luò)連通起來(lái)，然后利用這一網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)來(lái)展開(kāi)各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳送。

通常情況下，網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的主要移動(dòng)設(shè)備是一臺(tái)小型的無(wú)線Zig Bee路由器。同時(shí)，在所有病房里也都會(huì)設(shè)置一臺(tái)小型的無(wú)線Zig Bee路由器，其主要是為了處理好網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)與每個(gè)病患間的信息傳輸。我們知道為了能夠有效保障病患的生命安全，每一個(gè)病床邊都會(huì)設(shè)置一臺(tái)Zig Bee病房監(jiān)控設(shè)備或者是傳呼器。一旦病患出現(xiàn)任何問(wèn)題或是需要幫助時(shí)，只要按下傳呼器，醫(yī)護(hù)人員就會(huì)立刻趕來(lái)救治或幫助。實(shí)現(xiàn)方法是：當(dāng)病房?jī)?nèi)的傳呼器被按下時(shí)，其通過(guò)Zig Bee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)及時(shí)傳送到值班地點(diǎn)的數(shù)據(jù)管理中心，這樣就保證了值班醫(yī)護(hù)人員可以及時(shí)看到呼叫信息。

3.3智能家居無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)

隨著現(xiàn)代人們生活水平的不斷提高，對(duì)智能家居生活越來(lái)越向往，這同時(shí)也帶動(dòng)了智能家居的快速發(fā)展。一般來(lái)說(shuō)，在現(xiàn)代智能家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)控制中采用的主要是Zig Bee無(wú)線技術(shù)。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建主要是建立在現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)之上，但因?yàn)楝F(xiàn)代建筑的面積漸漸擴(kuò)大，所以更加需要Zig Bee無(wú)線控制技術(shù)來(lái)有效解決其距離上的問(wèn)題［4］。要想在家中設(shè)立好 Zig Bee無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)，第一步就需要設(shè)立好ARM 型的家庭網(wǎng)絡(luò)控制開(kāi)關(guān)，這樣才能實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的有效控制。

接著，就應(yīng)該在最為合適的位置安裝好一臺(tái)Zig Bee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)路由器，其主要作用是將所有家電和中心網(wǎng)絡(luò)控制開(kāi)關(guān)連接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的傳送。而在整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，所有家電終端設(shè)施都必須嵌入Zig Bee無(wú)線板塊，這樣才能完成數(shù)據(jù)的相互交換。每個(gè)家電終端的操控系統(tǒng)完全能夠和中心網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)相聯(lián)合，當(dāng)然，同時(shí)也可以設(shè)立部分遙感控制系統(tǒng)，例如，聲控微波爐的開(kāi)關(guān)、照明燈的開(kāi)關(guān)等［5］，這些遙感控制在Zig Bee無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)之前，都只能依靠多個(gè)數(shù)據(jù)口相連接來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.4倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)

在現(xiàn)代龐大、繁多的倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)中，對(duì)無(wú)線信息傳送技術(shù)的需求是十分巨大的，并且倉(cāng)儲(chǔ)物流對(duì)無(wú)線信息傳送技術(shù)要求是成本較、少、安全性高等，這些基本要求都是現(xiàn)代Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)所具有的優(yōu)勢(shì)，所以在倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)中采用Zig Bee 無(wú)線通信技術(shù)的效果是極為理想的。一方面，Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)可以較好的實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)物流中行車(chē)與總控制臺(tái)兩者間的較長(zhǎng)距離通信、交流，這是其他通信技術(shù)難以做到的。另一方面，Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)中所采用的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，可以有效完成通信、數(shù)據(jù)間及時(shí)、可靠的傳輸。不僅如此，倉(cāng)儲(chǔ)物流中行車(chē)的具體地理位置是完全不固定的，所以其數(shù)據(jù)間的傳輸技術(shù)就需要更高的靈動(dòng)性。

4　結(jié)束語(yǔ)

從全文的解析和研究中，我們可以總結(jié)出Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)在人們的生產(chǎn)、生活中扮演著重要的角色，并在一定程度上推動(dòng)著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步。文中詳細(xì)介紹了Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)所具有的五大特點(diǎn)，正是這些特點(diǎn)使得Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。比如，利用傳輸數(shù)據(jù)的及時(shí)性，將其很好地應(yīng)用到了醫(yī)療領(lǐng)域；利用其抗干擾性較強(qiáng)的特點(diǎn)，將其應(yīng)用到了智能家居無(wú)線控制網(wǎng)絡(luò)中；利用其長(zhǎng)距離傳輸、成本較低等特點(diǎn)，將其應(yīng)用到了現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)物流系統(tǒng)中等。

在現(xiàn)代生活、生產(chǎn)中，Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)的出現(xiàn)幫助人們解決了很多問(wèn)題，也大大提高了企業(yè)的工作效率和經(jīng)濟(jì)效益。因此，筆者認(rèn)為Zig Bee無(wú)線通信技術(shù)在未來(lái)一定會(huì)得到更為廣泛的運(yùn)用，從而進(jìn)一步推動(dòng)在各領(lǐng)域的發(fā)展。

［1］劉國(guó)慶 短距離無(wú)線通信主要技術(shù)及應(yīng)用研究［J］-《中國(guó)科學(xué)人》-2015，06.

［2］陳展短距離無(wú)線通信關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展前景［J］-《科技傳播》-2013，11.

［3］胡小海 一種基于Zig Bee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)多參數(shù)醫(yī)療監(jiān)護(hù)結(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)［J］-《北京生物醫(yī)學(xué)工程》-2015，02.

［4］盧子青 基于Zig Bee通信的智能家居控制系統(tǒng)［J］-《學(xué)園》-2013，08.

［5］劉歡 基于Zig Bee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］-《電子設(shè)計(jì)工程》-2015，07.

劉黎明（1979-）， 工程師，軌道交通信息系統(tǒng)。

E-mail: liulm@teg.cn

陳天喜（1981-）， 工程師，軌道交通信息系統(tǒng)。

E-mail:chentx@teg.cn

陳凱（1984-）， 工程師，軌道交通信息系統(tǒng)。

E-mail:chenkai@teg.cn

Research Technology and Application on Bee Zig Wireless Communication

Liming Liu， Tianxi Chen， Kai Chen
（Zhuzhou Zhongche times electric Limited by Share Ltd.， Zhuzhou， Hunan， 412001， China）

With the rapid development of modern communication technology， all kinds of short distance wireless communication technology， which is used for direct communication between terminals， has become more and more popular. Whether it is the use of mobile phones， Bluetooth， or satellite， GPS positioning and so on are not separated from the wireless communication technology. Based on this. In this paper， we first introduce the principle and characteristics of Zig Bee wireless communication technology，and its application in urban rail transit industry， medical monitoring， smart home wireless network control in order to be able to make people have a more clear knowledge and understanding on the ZigBee wireless communication technology.

ZigBee Wireless Communication Technology； Application Research； Family Intelligence

TN925

A

2095-8412 （2016） 03-431-04