淺談ZigBee技術(shù)在高速公路燈控系統(tǒng)中的運(yùn)用

一、應(yīng)用需求

當(dāng)前巨大的能源消耗和由此引起的能源短缺、價(jià)格上漲等已使得節(jié)約能源成為一項(xiàng)十分迫切的任務(wù)。國(guó)家“十一五計(jì)劃”提出“要把節(jié)約資源作為基本國(guó)策”，首次提出十一五期間單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值能源消耗降低20％左右的目標(biāo)。原建設(shè)部在《“十一五”城市綠色照明工程規(guī)劃綱要》中明確提出，2006～2010年累計(jì)節(jié)電要達(dá)到25％。因此，構(gòu)造了智能燈控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有節(jié)能效果好、智能化程度高、故障自動(dòng)檢測(cè)、照明方案多樣等特點(diǎn)。在無線控制系統(tǒng)的方式中，這幾年流行起來的ZigBee無線技術(shù)又是最好的選擇。而MaxStream公司的XBee系列模塊，是目前行業(yè)內(nèi)ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)的最好的OEM模塊之一。能幫助用戶快速實(shí)現(xiàn)ZigBee技術(shù)的應(yīng)用。

二、ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee作為一種個(gè)人網(wǎng)絡(luò)的短程無線通信協(xié)議，已經(jīng)日益為大家所熟知，它最大的特點(diǎn)就是低功耗、可組網(wǎng)，特別是帶有路由的可組網(wǎng)功能，可以使ZigBee覆蓋的通訊面積無限擴(kuò)展。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信；中心節(jié)點(diǎn)為ZIGBEE協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點(diǎn)為ZIGBEE終端設(shè)備；所有數(shù)據(jù)經(jīng)過中心節(jié)點(diǎn)；適合圓形分散、距離較近的傳感器聯(lián)網(wǎng)。

MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：系統(tǒng)采用多跳式路由通信；網(wǎng)絡(luò)容量很大；可以跨越很大的物理空間，適合距離較遠(yuǎn)比較分散的結(jié)構(gòu)。MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能，網(wǎng)絡(luò)的所有實(shí)體只有要通信范圍之內(nèi)，都可以互相通信，如果沒有直接通路，還可以通過“多級(jí)跳”的方式來通信；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；除此之外，網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能。

三、ZigBee技術(shù)特點(diǎn)

ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國(guó)流行）3個(gè)頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點(diǎn)：

（1）低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。（2）成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計(jì)很快就能降到1.5—2.5美元，并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對(duì)于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。（3）時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場(chǎng)合等）應(yīng)用。（4）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。（5）可靠：采取了碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。（6）安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES-128的加密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

四、基于ZigBee技術(shù)的無線燈控系統(tǒng)解決方案

新型的太陽能信號(hào)燈控制系統(tǒng)集結(jié)了交通管理、交通控制、綠色能源等全新的理念與技術(shù)，采用太陽能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電能供電，通過交通燈柱頂端的太陽能電池板來進(jìn)行聚集和儲(chǔ)存太陽能，然后通過ZigBee主控制器向同一交通崗的各組交通燈發(fā)射控制信號(hào)，達(dá)到無線同步控制運(yùn)行的效果。

這種無線燈控系統(tǒng)的具有如下優(yōu)點(diǎn)：無須挖路布設(shè)控制線路，各設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無線自動(dòng)組網(wǎng)連接，既降低了系統(tǒng)安裝成本，更重要的是避免了傳統(tǒng)安裝方式對(duì)交通干擾所帶來的經(jīng)濟(jì)損失。隨時(shí)可以施工。而且，也避免了由于城市快速發(fā)展，道路拓展等變化對(duì)原有預(yù)埋管線的干擾。由于系統(tǒng)沒有地面控制箱和控制線路，避免了惡意破壞，大大減少了維護(hù)成本。由于系統(tǒng)沒有地面控制箱和控制線路，避免了惡意破壞；而且，整個(gè)控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊具有高集成度，高可靠性和低功耗，低成本，體積小等優(yōu)點(diǎn)，維護(hù)保養(yǎng)十分方便，只需更換相應(yīng)節(jié)點(diǎn)即可，避免了傳統(tǒng)控制線路本身帶來許多麻煩，從而大大減少了設(shè)備購(gòu)置成本，建設(shè)安裝成本和系統(tǒng)維護(hù)成本。

另外，從ZigBee技術(shù)角度來說，卓越的物理性能，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所使用的無線頻率是國(guó)際通用的免費(fèi)頻段（2.4 ~ 2.48Ghz ISM）， 傳輸?shù)姆绞绞强垢蓴_能力強(qiáng)的直序擴(kuò)頻方式（DSSS），特別適合在干擾較大的環(huán)境中使用。網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，ZigBee的自組織功能，無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；ZigBee自愈功能：增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。

五、MaxStream的基于ZigBee技術(shù)的XBee系列模塊

XBee OEM RF模塊是與ZigBee/IEEE 802.15.4 兼容的解決方案，可以滿足低成本低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特殊需求。該模塊易于使用，極低的功耗，以及提供設(shè)備間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可靠傳輸。而且它小巧的外形條件有效的節(jié)省了板卡空間。

XBee / XBee-pro模塊工作在ISM 2.4 GHz頻率波段，而且它們是引腳兼容可互換的。該模塊在美國(guó)，加拿大，澳大利亞，以色列以及歐洲廣泛使用。建立RF通信不需要任何配置，該模塊的默認(rèn)配置支持廣泛的數(shù)據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用。也可以使用簡(jiǎn)單AT命令進(jìn)行高級(jí)配置。也提供API方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)模塊的自動(dòng)控制和通訊。。

另外，方便用戶快速上手應(yīng)用，MaxStream提供開發(fā)套件，為您提供價(jià)廉的，一流的無線數(shù)據(jù)通信和支持。該套件包含快速建立和測(cè)試長(zhǎng)距離無線數(shù)據(jù)鏈路所需要的所有硬件和軟件。