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时间:2018-06-12
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1、浅议ZigBee无线传感器网络系统的特点及设计摘要:本文就Zigbee无线传感网络的特点、设计难点进行了相应的分析,旨在综合自己学习过程中的收获和一些想法。关键词:无线传感网络(wsn);传感器;ZigBee;设计一、概述(一)WSN简介。无线传感器网络有着十分广泛的应用前景,在工业、农业、军事、环境、医疗,数字家庭,绿色节能,智慧交通等传统和新兴领域有具有巨大的运用价值,无线传感器网络将无处不在,将完全融入我们的生活。(二)ZigbeeWSN。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。作为无线传感网的一种最常
2、见的类型,ZigBeewsn是一种高可靠的无线数传网络,类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里,并且支持无限扩展。二、Zigbee无线传感网络的特点(1)低功耗:由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。(2)成本低:5ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5―2.5美元,并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。(3)时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常
3、短,典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制应用。(4)网络容量大:一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。(5)可靠:采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。(6)安全:ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确
4、定其安全属性。三、Zigbee无线传感网络的设计(一)设计难点。5(1)通讯距离问题,由于一般的ZigBee前端RF部分输出大部分只有0DBM,点对点开阔地带实际通讯距离只有几十米,如果加上环境和阻挡因数,通讯距离还会缩水。(2)ZigBee芯片工作在2.4GHZ和900MHZ的高频率,硬件设计不可能绕开高频设计和调试,需要的高频设备如频谱分析仪等,价格较高,也构成了一定技术门槛。(3)为了实时处理复杂的无线网络管理和路由,ZigBee软件协议栈代码比较复杂,同时涉及比较多的无线技术知识背景,掌握这些无线软件需要比较多的时间,加上协议栈在不断升级,使
5、用的微控制器也在不断变化中,也加长了开发和调试周期。这些设计难点,很多厂家已经推出了各种比较完整的解决方案:对于ZIGBEE通讯距离的扩展,目前采用外部扩展和内部增加放大器两套办法,TI最近推出的CC2591放大器芯片,CC2591能够和CC2430等ZigBee单芯片完整结合,实现ZIGBEE通讯距离的扩展,点对点通讯距离可以轻易达到600米以上,通过ZigBee自动中继路由,可以实现微功耗下数十公里的无线通信。随着大量模块化产品的出现,解决了第二个应用难点,这些模块只有大约1平方英寸大小,用电池供电,易于集成到用户系统中。用户从模块入手,完全避免
6、的高频设计和调试的问题,可以将主要精力集中到应用系统设计。另外,目前的模块在出厂时也配备了一套ZigBee串口通讯协议,这套协议将复杂的ZigBee应用,转换为简单的,具有ZigBee网络功能的AT命令集,用户只要会串口编程,无需要深入研究ZigBee协议栈,就可以轻松使用ZigBee技术。这样就解决了第三个主要的技术难点。(二)ZigBee应用系统设计的层次。5(1)系统集成,在这个层次,主要是要掌握ZigBee技术的应用特征,例如系统可靠性和网络可靠性,通讯距离,抗干扰性能,低功耗性能等,使用标准产品和评估系统进行是比较好的进入点。优点:入门需要
7、的时间短,几个小时或几天。缺点:系统灵活性可能不够,成本稍微高一些。(2)采用模块和自己的单片机系统组合设计,这要求对单片机技术比较熟悉,当然最好是采用自己熟悉的单片机,主要工作是熟悉ZigBeeAT命令集,如何通过AT命令集来操作复杂ZigBee无线网络,由于不需要分析无线协议栈代码和进行高频设计,用户可以将主要精力集中在自己的应用代码开发。优点:入门时间是一星期或更短。缺点:需要在模块后面,加上自己的微控制器,成本稍有增加。(3)采用模块或者直接使用ZigBee芯片进行自己的ZigBee应用系统设计。如果不希望进行高频设计,可以从模块开始,直接使
8、用TI等公司提供的ZigBee协议栈源代码和库文件,自己进行应用代码的编写,然后直接下载到模块进行调试,由于
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