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從有線變無線:ZigBee技術在溫控系統中的應用

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把ZigBee技術應用到溫控系統中,現有的溫控系統,很多都是采用有線方式。通過有線方式傳輸信号,布線費用昂貴,維修困難,難于擴充,在某些情況下甚至無法布線成功,這是其遇到的一個極大困難,且系統的抗毀性也比較差,一旦主要制晶片出現了問題,整個系統就會崩潰。應用ZigBee技術以後,溫控系統可以從有線方式變為無線方式。

0 引 言  

目前短距離無線通信技術已成為無線通信技術的一個重要分支,現實中很多系統傳輸的資料通常為少量的突發信号,這裡采用的ZigBee技術就是具有統一标準的短距離無線通信技術,專門用于這類資訊的傳輸,工作在2.4 GHz的免付費、免申請頻段上,傳輸速率為250 Kb/s。這種無線通信技術具有如下特點:傳輸距離遠、室内大概有30 m,功耗低,工作模式情況下,ZigBee技術傳輸速率低,傳輸資料量很小,是以信号的收發時間很短,其次在非工作模式時,ZigBee節點處于休眠模式。

這裡把ZigBee技術應用到溫控系統中,現有的溫控系統,很多都是采用有線方式。通過有線方式傳輸信号,布線費用昂貴,維修困難,難于擴充,在某些情況下甚至無法布線成功,這是其遇到的一個極大困難,且系統的抗毀性也比較差,一旦主要制晶片出現了問題,整個系統就會崩潰。應用ZigBee技術以後,溫控系統可以從有線方式變為無線方式。

1 ZigBee技術的特點

ZigBee低速率、低功耗和短距離傳輸的特點使它非常适宜支援簡單器件。ZigBee定義了兩種器件:全功能器件(FFD)和簡化功能器件(RFD)。對全功能器件,要求它支援所有的49個基本參數。而對簡化功能器件,在最小配置時隻要求它支援38個基本參數。一個全功能器件可以與簡化功能器件和其他全功能器件通話,可以按三種方式工作,分别為:個域網協調器、協調器或器件。而簡化功能器件隻能與全功能器件通話,僅适于非常簡單的應用。

2 對等網中的Mesh網絡的特點

對等網是全部由完整功能器件(FFD)連接配接而成的,這種網絡能提供更高的可靠性,如圖1所示。

從有線變無線:ZigBee技術在溫控系統中的應用

綜上所述,這裡采用ZigBee技術實作網絡的傳輸,并選用ZigBee支援的Mesh網絡實作此功能。對等網是全部由完整功能器件(FFD)連接配接而成的,這種網絡能提供更高的可靠性。

該網絡有一個主要制節點,用來啟動整個網絡,這個主要制節點由專門的電源供電,另外還有專門負責路由資訊的控制節點,給資訊傳輸提供必要的路由,本身也可以參與溫度的測量,還有就是一些終端的節點,它們可以專門用來測量端點的溫度,另外在必要的時候,如網絡出現故障,它們啟動相應的指令,就又可以充當路由的功能。

這種無線網絡具有較強的抗毀性,某個節點出現故障,路由節點可以選擇另外一條路由去完成此次傳輸。

3 Mesh網絡的建立過程

這裡所有的站點都是FFD(全功能器件),可以用下面的方法組建一個網絡。

每個大型的ZigBee的Mesh網絡都可以由一個中心協調器(PAN)和路由器(Router)組成。這裡以采用以下原語實作:

從有線變無線:ZigBee技術在溫控系統中的應用

該原語由具有ZigBee協調器能力裝置的應用層生成,發送給它的網絡層管理實體,請求初始化裝置,使之成為一個新網絡的協調器。

   

從有線變無線:ZigBee技術在溫控系統中的應用

該原語傳回在網絡中初始化一個ZigBee協調器請求的執行結果。如果成功執行了原語,則狀态參數設定為SUCCESS。

設定ZigBee協調器以後,再采用NLME-PER-MIT-JOINING.request原語允許其他裝置同其網絡連接配接。

PermitDuration中參數的有效值從0x00~0xFF,0x00和0xFF分别表示連接配接是否有效,沒有确定的時間限制,這裡選擇0xFF。

傳回:

NLME-PERMIT-JOINING.confirm(Status 與請求狀态相對應)

當收到該原語後,初始化的裝置上層即得知允許其他裝置連接配接網絡請求原語的執行結果,這裡收到的結果應該為0xFF。

在ZigBee網絡中,還要配置路由器,該原語如下:

從有線變無線:ZigBee技術在溫控系統中的應用

因為是采用的Mesh網絡,是以這裡的Join-AsRouter的參數設定為TURE。

一個新裝置連接配接網絡成功後,就發送NLME-JOIN.indication原語,其文法如下:

從有線變無線:ZigBee技術在溫控系統中的應用

至此,一個完整的Zigbee網絡就建立成功。

這個網絡具有很好的抗毀性,在Mesh網絡中,當一個鍊路或者一個裝置失效時,上層的管理裝置将要重新組織路由的資訊。如果上層裝置由于缺乏路由容量或者其他原因,該路由器裝置将會給主協調器發送一個路由錯誤的指令幀,裡面包含了失敗的原因。在必要的情況下,甚至可以從某一個節點開始,重新組織一個新的Mesh網絡。

這裡的ZigBee無線自組織網絡和Ad Hoc(無線自組織多跳網絡)還有一點差別,後者是在過一定的時間,重新選擇新的路由,而ZigBee的無線自組織是在路徑丢失的情況下,才會選擇新的路由。

在某一個晶片出現故障時,會自動搜尋下一個路由,使得資訊的傳輸不會受到影響;必要的時候,甚至可以選擇某一個晶片重新啟動整個網絡系統;而且采用這種方式,晶片之間接力傳遞,可以最大限度地提高網絡的覆寫範圍。如果采用星型網絡,由于在終端節點不是FFD,而是RFD,如果FFD出現故障,整個系統就無法工作,另外其作用範圍也會受到限制。

6 結 語

綜上,在現代溫控系統中,采用無線通信的ZigBee技術,可以很友善地建立網絡,選用ZigBee支援的Mesh網絡,可以最大程度地增加網絡的抗毀性,而采用晶片接力傳遞的方式,可以最大程度地擴充網絡的覆寫範圍。對ZigBee晶片寫入不同的控制程式可以控制加熱器的時間和持續長度。

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