張守興 李明珠 陳媛媛

摘 ? 要：學習ZigBee的前沿數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，為采用ZigBee技術(shù)控制的智能水表設計打下基礎(chǔ)。文章通過ZigBee應用掌握ZigBee終端設備各模塊的使用，為掌握組網(wǎng)編程及運行調(diào)試提供借鑒。

關(guān)鍵詞：ZigBee;數(shù)據(jù)傳輸;調(diào)試

1 ? ?研究的背景及意義

近年來，由于智能產(chǎn)品的日益增多，通信技術(shù)和無線網(wǎng)絡技術(shù)的應用均呈現(xiàn)出指數(shù)增加的趨勢，有力地推動無線通信技術(shù)的快速發(fā)展。工業(yè)的一線生產(chǎn)設備、農(nóng)業(yè)的智能化控制、汽車的電氣控制系統(tǒng)、智能家居、醫(yī)療設備智能化操作和智慧化小區(qū)建設、面向服務消費大眾的第三產(chǎn)業(yè)等都是無線通信技術(shù)還未涉足或者剛剛涉足的領(lǐng)域，這些領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)吞吐量的要求一般不高，對產(chǎn)品的功率消耗也比現(xiàn)有標準提供的產(chǎn)品功率消耗要低的多。同時，為了降低組成元器件的價格，以便于各種應用裝置批量生產(chǎn)，就有必要制定出一款標準的解決方案或相應的技術(shù)協(xié)議，來結(jié)束這種雜亂無章、“群雄紛爭”的局面。而ZigBee技術(shù)就是在這種背景下產(chǎn)生的一種適應市場的技術(shù)產(chǎn)品，其設計出一個應用程度相對簡單的無線電收發(fā)系統(tǒng)，同時，也進一步考慮產(chǎn)品的低功耗和消費者極為關(guān)心的性價比問題。

ZigBee是一種傳輸距離短、設備構(gòu)造組成相對簡單、運行耗電量較低、數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高且價格又相對低廉的雙向無線通信技術(shù)，可以基本滿足一些數(shù)據(jù)量較為簡單的自動控制和遠程控制，對小型的無線網(wǎng)絡構(gòu)建具有極大的應用優(yōu)勢?；赯igBee技術(shù)應用的產(chǎn)品越來越廣泛，在不少工科高校也通過各種形式對一些工科的學生進行這一方面能力的培養(yǎng)。比如，在第二課堂（個別院校叫素質(zhì)拓展）開展ZigBee技術(shù)的小應用，有的設有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)專業(yè)的院校更是直接開“物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)”的專業(yè)課，這也符合高校專業(yè)人才培養(yǎng)要與社會、市場接軌的目標，因此，學習并掌握一定的ZigBee技術(shù)，對電氣工程及其自動化、通信工程、電子信息、物聯(lián)網(wǎng)、智能控制等專業(yè)的老師和學生們，任重而道遠。

2 ? ?ZigBee技術(shù)的特點

ZigBee在應用領(lǐng)域中是一種能進行靈活組網(wǎng)的無線通信技術(shù)，適用于數(shù)據(jù)傳輸量較少、功率要求不高、傳輸速率低、網(wǎng)絡節(jié)點較多的場合，比如，在公交車的報站系統(tǒng)的研發(fā)、智能小區(qū)的規(guī)劃、小區(qū)快遞報送系統(tǒng)、自動售貨機研制、智能護士呼叫系統(tǒng)、智能家居控制等。一般的ZigBee具有下述特點。

2.1 ?運行穩(wěn)定性、可靠性高

在無線通信傳輸中，電磁波在傳輸過程中非常容易受到各種不利因素的干擾，例如，直線傳輸障礙物的阻擋、天氣狀況惡化、傳輸媒介變化等，因此，無線通信系統(tǒng)在實際應用時，數(shù)據(jù)在傳輸過程中，就會具有一定的內(nèi)在不穩(wěn)定性。而ZigBee聯(lián)盟在制定ZigBee規(guī)范時，眾多技術(shù)出身的參會者紛紛結(jié)合各自的研發(fā)領(lǐng)域和在產(chǎn)品調(diào)試中遇到的數(shù)據(jù)傳輸過程中存在的問題，進行交流并共同制定一些措施來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.2 ?低功耗、低成本

作為一種研發(fā)的技術(shù)，在實現(xiàn)功能的同時，其本身的工作功耗要低且各組成的元器件的成本要進一步降低，才能引起消費者的關(guān)注和采用，也就是所謂的性價比的問題。而采用ZigBee技術(shù)結(jié)合的應用型產(chǎn)品恰好能滿足這方面的要求，其控制終端在某種狀態(tài)上類似處于一種休眠工作方式，達到低功耗要求。

2.3 ?網(wǎng)絡節(jié)點大

一個ZigBee組成的網(wǎng)絡能與255個設備控制終端進行數(shù)據(jù)共享，對于一般的小區(qū)用戶水表的運行管理，基本滿足需求。相當于一個ZigBee設備可以控制254個設備。

2.4 ?組網(wǎng)能力強

ZigBee設備在組網(wǎng)方面，具有自愈的能力，對周邊有較強的覆蓋能力。

2.5 ?安全性

ZigBee開發(fā)具有完整的檢測功能，其主要采用AES-128進行相應的算法加密，高級加密標準，進一步保障數(shù)據(jù)傳輸應用的安全型和可靠性。

2.6 ?應用性強

ZigBee協(xié)議棧源代碼齊全，一般應用者主要是對主函數(shù)及操作系統(tǒng)進行修改應用，許多庫函數(shù)據(jù)可以根據(jù)項目要求而做修改即可。

3 ? ?基于ZigBee控制的水表設備終端

ZigBee設備終端結(jié)構(gòu)一般包括電源模塊、微控制器CC2530、數(shù)據(jù)傳輸模塊、調(diào)試模塊、調(diào)制模塊、時鐘模塊、LCD模塊、天線模塊、DMA模塊、命令執(zhí)行單元、傳感器單元等，各單元基本構(gòu)造如圖1所示。通過智能傳感器單元設備模塊的內(nèi)部數(shù)據(jù)收集數(shù)據(jù)。比如，在小區(qū)中，對住戶水表的一種ZigBee技術(shù)應用，其將原來機械式水表的水流量信息，通過傳感器的轉(zhuǎn)換，把住戶用水的流量轉(zhuǎn)換成電的信號，當然可以是電流信號或電壓信號，進行調(diào)制后，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊，變成微處理器能識別的機器碼二進制，讓微處理器獲取，并按照研發(fā)者預先的編程程序運行，再把處理相應的結(jié)果，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊接收或傳輸控制命令，傳達到用戶模塊單元，這個功能一般就是通知用戶水量信息的作用。而另一方面，用戶也可以通過控制終端（如手機專用APP）對微處理器進行指令控制，通過微處理器處理結(jié)果并使執(zhí)行單元執(zhí)行（比如閥門關(guān)閉或開啟等）。CC2530外設包括I/O引腳、ADC，DMA、串口等，CC2530包括3個8位輸入/輸出（I/O）端口，分別是P0，P1和P2。CC2530的ADC支持多達14位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，具有多達12位的有效數(shù)字位。它包括一個模擬多路轉(zhuǎn)換器，具有多達8個各自可配置的通道，一個參考電壓發(fā)生器。CC2530內(nèi)置一個存儲器直接存?。―irect Memory Access，DMA）控制器，可以用來減輕8051CPU內(nèi)核傳送數(shù)據(jù)操作的負擔，從而實現(xiàn)在高效利用電源的條件下的高性能。

4 ? ?ZigBee技術(shù)的應用領(lǐng)域

ZigBee技術(shù)是基于小型無線網(wǎng)絡組網(wǎng)而開發(fā)的一種通信協(xié)議標準，在應用過程中，雖然ZigBee技術(shù)也面臨許多新的技術(shù)問題挑戰(zhàn)，但總體來說ZigBee協(xié)議也越來越成熟，技術(shù)考慮的全面性也越來越嚴謹，使用操作越來越大眾化，對專業(yè)性要求度也在進一步減低，這也使ZigBee技術(shù)在智能家居和城鎮(zhèn)管理自動化等方面有較大的應用前景。ZigBee技術(shù)的及時出現(xiàn)，在某種程度上彌補了制作成本低、運行功耗低的無線通信市場暫時空缺的產(chǎn)品。

ZigBee技術(shù)的應用一般在可以進行數(shù)據(jù)采集、控制節(jié)點較多且應用時對數(shù)據(jù)傳輸速率和控制成本要求不高的場合，而且設備電池供電可以達幾個月的時間，同時整體的設備體積較小。

在工業(yè)/農(nóng)業(yè)控制方面，可以使用ZigBee技術(shù)組建無線小網(wǎng)絡，每個節(jié)點通過采集傳感器數(shù)據(jù)，然后通過ZigBee網(wǎng)絡來完成各類數(shù)據(jù)的傳送。

在智慧小區(qū)，對于小區(qū)住戶電表/水表的高效管理，同時也為了節(jié)約成本開支，ZigBee技術(shù)的設備產(chǎn)品的開發(fā)及利用是一種不錯的選擇。

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