zigbee技术与应用

zigbee技术与应用（精选8篇）

zigbee技术与应用 第1篇

ZigBee技术在微灌测控系统中的应用研究

ZigBee是基于IEEE802.15.4的一种新兴的无线网络技术,具有功耗低、组网能力强、成本低等特点.简要介绍了ZigBee技术,提出一种基于ZigBee的.微灌测控系统.根据ZigBee网络的特点,设计了微灌测控系统网络,表述其工作方式,给出了硬件和软件方案.利用ZigBee技术,可大大提高整个测控系统的性能和经济性.

作 者：李春 倪伟新 丁强 符伟杰 LI Chun NI Wei-xin DING Qiang FU Wei-jie  作者单位：李春,LI Chun(河海大学计算机及信息工程学院,江苏,南京,210098)

倪伟新,NI Wei-xin(水利部水文局,北京,100053)

丁强,符伟杰,DING Qiang,FU Wei-jie(水利部南京水利水文自动化研究所,江苏,南京,210012)

刊 名：水利水文自动化 英文刊名：AUTOMATION IN WATER RESOURCES AND HYDROLOGY 年，卷(期)：2009 “”(1) 分类号：S275 关键词：防汛   综合应用系统   PDA   WinSock  

zigbee技术与应用 第2篇

本设计主要是将Zigbee 无线技术应用在LED 照明工程中，解决了白炽灯耗电严重，使用寿命短的问题，同时解决照明工程中布线复杂、高功耗、资源浪费大、受距离限制、维护困难的问题。基于Zigbee 技术具有短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度等优点，设计出基于Zigbee 技术的智能家居LED 灯光无线控制系统。主要利用Zigbee无线自组网技术，实现了对LED 灯的开关和亮度调节的无线控制，并且功能细致可以分为单个灯光控制和局域灯光控制。

目前我国大力推行用LED 灯取代白炽灯的政策，而且将在五年内实施完成，这一政策解决了照明耗电严重，使用寿命短的问题，此外，工程布线繁琐安装复杂，不易移动控制，能量消耗大、施工周期长、后期维护困难等这些问题仍然需要解决，Zigbee 技术的广泛应用给目前的问题提供了一种解决方式，并且对于家庭生活和办公楼宇而言达到了方便快捷的目的，对于综合管理人员达到高效安全目的。文中提出了一种Zigbee 无线自组网技术与LED 节能灯相结合的设计方案，实现对LED 灯的亮度进行连续调节和远程控制的功能，详细的介绍了软硬件设计系统。Zigbee 无线技术

Zigbee 技术是一种应用于短距离范围内，低传输数据速率下的各种电子设备之间无线通信技术，是一组基于IEEE批准通过的802.15.4 无线标准研制开发的，这就确定了可以再不同制造商之间共享的应用纲要。Zigbee 兼容的产品工作在2.4 GHz 这个全球通用的免费开放频段，这个频段提供了16 个传输信道，每次通信都会自主选择一个最干净干扰最小的信道进行数据传输。在网络层方面，可以采用星形和网状拓扑，根据节点的不同功能，可分为中央协调器 Coordinator，路由节点Router 和终端节点FFD.在这3 种拓扑结构中，在星型网络中不易实现Zigbee 的高级特色功能，即路由功能的，每个Zigbee 设备只能和PANC 直接通讯。网状网络是最复杂的，允许路由，而且路由的路径是自动计算出来的最佳路径，而且网络建立后，任何一个设备失效，网络中的设备会重新计算路由的路径，使得不影响网络其他设备正常通讯。

所以本系统采用的是树状网络结构，简单且易于实现功能。1.1 Zigbee 的优点与特性

1)低功耗是Zigbee 技术最具优势的地方。在通信状态，Zigbee 终端耗电在几十毫瓦左右，在省电模式下，耗电仅仅几十μW，相当有一节干电池可以工作近一年。

2)可靠性：采用避免碰撞机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免发送数据时产生冲突;节点模块之间具有自动动态组网的功能，传递的信息在整个Zigbee 网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。

3)网络容量大：在同一个WPAN 上，可以存在65 536 个ZigBee 装置，彼此可通过多重跳点的方式传递信息，而且具有无线网络自愈功能。4)有效范围大：有效范围在10~75 m 之间，如果前置功放可以达到1 000 m 的通信距离。

5)成本低：Zigbee 数据传输速率低，协议简单且免收专利费，所以降低成本。1.2 Zigbee 无线组网原理

在网络层中，ZigBee 定义了3 种角色： 第一个是中央协调器(Coordinator)，负责建立网络，以及分配网络各个节点地置;第二个是路由器(Router)，主要负责查找网络、建立以及修复数据的路由路径，并负责转送数据，路由器可以与协调器通信，也可以与终端节点进行通信，路由之间也可以进行通信;第三个是终端节点(FFD)，只能选择加入已经形成的网络，可以与路由器进行收发数据信息，但不能转发信息，不具备路由功能。通信图解如图1 所示。

图1 通信图解

工作原理：系统中每个终端节点或路由器分别控制一盏灯或多盏灯，每个节点会有单独的网络地址，手持控制终端通过无线模块发送命令到协调器，协调器将收到的命令通过无线传输发送到各个节点。系统硬件设计

调光功能的实现方法可分为两种：类比和脉冲宽度调变(PWM)。采用类比调光技术时，只需将白光 LED 的电流降至最大值的一半，就能让屏幕亮度减少50%.这种方法的缺点是LED 光色会移动，且需要类比控制讯号，所以本系统采用PWM 调光技术。PWM 调光技术会提供完整电流给白光LED，但会减少电流负载周期，进而达成调光的要求，例如要将亮度减半，只需50%的负载周期提供完整电流。PWM 讯号频率通常会超过100 Hz，确保这个脉冲电流不会被眼睛察觉，PWM 频率的最大值需视电源供应的启动和反应时间而定;为了得到最大弹性，同时让整合更简单，白光LED 驱动器最高应能接受50 kHz 的PWM 频率。

硬件系统是由LED 灯驱动模块、LED 电源驱动模块和Zigbee 无线传输模块等组成。硬件电路逻辑框图如图2 所示。

图2 硬件电路逻辑框图。

LED 灯驱动部分采用PT4207 驱动芯片，PT4207 是一款高压降压式LED 驱动控制芯片，用于驱动一颗或多颗LED灯，其输入电压范围为20~450 V，可以实现在85~265 VAC范围内稳定可靠的工作，并保证系统的高效能。同时内置的输入电压补偿功能极大地改善了不同输入电压下LED 电流的稳定性。PT4207 还具有负载短路保护、开路保护和过温保护等功能。其专用调光管脚可直接接受PWM 脉冲调光，将PWM 信号加到DIM 脚。PWM 信号低电平要小于0.35 V，高电平在2.5~5 V 之间，为达到较好调光效果，PWM 信号脉冲频率最好小于最低工作频率的1%.简单驱动原理图如图3 所示。

图3 PT4207 的驱动原理图。

Zigbee 无线通信模块主要采用CC2530.CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案。它具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他强大的功能。CC2530 具有32/64/128/256KB 四种不同的闪存版本，本系统采用的是256KB 闪存。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统，运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。本系统是通过改变PWM 输出进而改变灯光亮度，CC2530 的定时器1 是一个16 位定时器，具有定时器/PWM 功能。它有一个可编程的分频器，一个16 位周期值，和五个各自可编程的计数器/捕获通道，每个都有一个16 位比较值。一个16 位捕获寄存器也用于记录收到/发送一个帧开始界定符的精确时间，或传输结束的精确时间，还有一个16 位输出比较寄存器可以在具体时间产生不同的选通命令(开始RX，开始TX，等等)到无线模块。每个计数器捕获通道可以用作一个PWM 输出或捕获输入信号边沿的时序。定时器2 是专门为支持IEEE802.15.4 MAC 或软件中其他时槽的协议设计。定时器3 和定时器4 是8 位定时器，具有定时器/计数器/PWM 功能。系统软件设计

软件开发环境选择IAR Embedded Workbench for MCS-51 7.51A 作为Zigbee 开发的IDE.在TI Z Stack 协议栈的基础上，编写了系统的应用程序代码，用VC 编写上位机程序。

Z Stack 提供了丰富的调试函数调试接口。系统软件主要包括协调器节点程序、路由器节点程序。协调器是第一级节点，负责组建网络，网络组建好后会分配节点ID 地址，协调器接收到手持控制终端发送的命令，发送控制命令到节点就可以实施相应控制，如图4 是协调器的工作流程图。

图4 协调器工作流程图。

以下扩展到第2 级、第3 级甚至多级，只要在同一网络就可以实施相应控制，协调器接收命令同时将控制命令发送到路由器或者终端节点，如果直接发送命令给路由器，路由器就会执行相应命令，也可以通过路由器发送给终端节点，由终端节点执行相应命令。如图5 是路由器(包含终端节点)工作流程图。

图5 路由器(包含终端节点)工作流程图。功能实现

控制终端是一手持遥控器，遥控器内设置了无线收发模块，在组建网络时将遥控器加入网络，遥控器会自动识别每一节点的ID 地址，通过对节点发送命令实现控制。可以对单个灯进行亮度调节，即向单个节点发送控制命令，也可以将部分节点组建一个局域网络存储到遥控器中，对这个局域网络发送命令就可以实现局域网内所有节点的灯光控制。结论。

zigbee技术与应用 第3篇

Zig Bee无线通信技术作为一种介于无线标记技术和蓝牙之间双向无线通信技术, 以其距离短、功耗少、速度慢、成本低、可靠性高的特点, 正一步步进入无线通信领域的浪潮中。

该技术是基于IEEE批准的802.15.4无线标准研制开发的有关自组网、安全和应用软件方面的技术[1]。Zig Bee协议框架如图一所示。Zig Bee无线通信技术主要适合于对距离、功耗以及传输速率要求不高的各种电子设备之间进行数据传输的场景。

2 Zig Bee无线通信技术的优势

(1) 功耗低。Zig Bee无线通信技术的传输速率较低, 且其发射功率仅为1m W, 故采用Zig Bee技术的设备非常省电。同时, Zig Bee技术运行时, 采用休眠模式, 更有效的减少了功耗。

(2) 成本低。含有Zig Bee无线通信技术的模块, 起始时成本在大约在6美元。不过随着Zig Bee无线通信技术的不断普及, 在未来几年, 很有可能降到1.8美元左右。Zig Bee无线通信协议免专利费也为Zig Bee技术的广泛使用奠定基础。

(3) 时延短。通信时延和从休眠状态激活的实验都非常短, 故对实验要求较高的无线控制设备上面可以采用Zig Bee无线通信技术。

(4) 网络容量大。每个Zig Bee网络最多可以容纳的设备数量有255个。网络容量大且网络组成较为灵活为Zig Bee技术的进一步推广做了铺垫。

Zig Bee无线网络网状拓扑结构如图二所示。

(5) 可靠性高。Zig Bee无线通信技术采取了CSMA/CA方法。其为需要固定带宽的通信业务预留专用时隙, 避免了发送数据时产生的竞争和冲突。在MAC层采取了完全确认的数据传输模式。每个发送的数据包都必须在等待接收方的确认信息后才可以进行下一个数据包的传输。在传输过程中, 如果出现问题可以进行数据包的重发。

(6) 安全性高。Zig Bee技术提供CRC (循环冗余校验) 的数据包完整性检查功能, 同时, 支持鉴权和认证。在保密方面, 其采用了AES-128的加密算法, 各个应用可以较为灵活地确定其安全属性。

3 Zig Bee无线通信技术的应用场景

Zig Bee无线通信技术起初是希望发展一种易于建构的低成本无线网络。在其发展的初期, Zig Bee无线通信技术主要以工业或企业市场为主, 致力于工业或企业的感应式网络, 如提供感应辨识、灯光与安全控制等功能。随后, 将逐渐把市场拓展至家庭应用, 给整个社会提供便利。

采用Zig Bee无线通信技术的应用场景如下, 通常满足其中之一即可:

(1) 设备预算少, 成本低, 数据传输量小;

(2) 设备整体体积小, 无法放置较大的模块;

(3) 只能使用一次性电池, 不能进行足够的电力支持;

(4) 频繁更换电池或者反复充电难度较大, 不易实现;

(5) 在通信时需要较大范围的通信覆盖, 但网络中仅用于监测的设备繁多。

4 Zig Bee无线通信技术的发展前景

Zig Bee无线通信技术是一个针对传感器网络、建筑自动化等应用的短距离无线技术规范[2]。随着网络和无线通信技术的迅速兴起, Zig Bee技术在未来将很快成为全球高端的无线技术。在应用上, Zig Bee技术与其他标准几乎没有交叉, 以其传输速率低, 较好地弥补了无线通信技术在这方面的空白。在实际应用中, 低速率和低成本的无线通信在自动控制、无线传感网络、家居自动化等诸多领域更贴近日常生活, 具有广泛的市场[3]。

Zig Bee技术以其超强的生命力和优势, 应用前景被十分看好, 在传感器网络、工业、农学、医学等方面值得广大技术人员研究。

5 结语

本文阐述了Zig Bee技术的概念、特点, 讨论了Zig Bee技术的应用场景, 并且对其技术本身进行了分析和展望。并非是Zig Bee技术本身的特点, 而是其丰富而便捷的应用, 使其在无线通信技术领域博得一席之地。随着科学技术的不断发展和进步, 我们相信, 在不远的未来, 带有Zig Bee功能的设备将会走入千家万户, 以其丰富便捷的特性极大地改善我们的生活。

参考文献

[1]白国亮.Zig Bee无线通信技术及其应用前景[J].林区教学, 2009 (6) :79-80.

[2]周怡颋, 凌志浩, 吴勤勤.Zig Bee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表, 2005, 26 (6) :5-9.

zigbee技术与应用 第4篇

【关键词】无线通信技术 应用探讨 ZigBee技术

一、引言

互联网信息技术的进步给无线通信技术的发展提供了广阔的发展平台[1]。伴随着人们生活水平的提高，人们对无线通信技术的要求也在逐渐地提高。ZigBee技术的出现给无线通信技术的进步注入了新的活力。因此，本文对ZigBee无线通信技术及其应用做了具体地分析。

二、ZigBee技术理论

ZigBee技术主要是通过一种短距离的方式来实现用户之间的及时沟通和交流。科学技术的发展使其在无线通信技术的应用过程中能够有效地降低对功率的消耗。简而言之，ZigBee技术犹如蜜蜂在采蜜的过程中如果发现了花丛就会使用一种独特的肢体语言的形式将信息传达给自己的同伴，以帮助同伴共同发现新的事物来源。而这种独特的肢体语言形式就是ZigZag，在大自然中蜜蜂相互之间就是采用一种这样的形式来传达信息。相比其他的无线传输方式来说，ZigBee技术具有其独特的优点。

首先，ZigBee技术在使用的过程中能够大大地降低成本。如果ZigBee在最开始的时候设计成本在40元左右，那么ZigBee技术很快就可能会下降到10元左右。因此不仅可以扩大ZigBee技术的应用范围，而且还可以相对地减少用户的费用。其次，ZigBee技术还能够提供一个较大容量的网络系统。为了能够更加有效地避免高峰期间不同用户之间的冲突，ZigBee技术还能够为客户预留足够的空间。最后，ZigBee技术能够对用户的信息提供相关的安全保障。每一种数据在传输的过程中需要无线通信系统进行准确地识别，从而能够及时地传送给客户的手中。因此，在相关的工业生产过程中以及各大医院和家庭等领域，ZigBee技术都发挥了其关键作用。

三、ZigBee无线通信技术的应用分析

ZigBee技术的应用给我国的国民经济各个部门的发展提供了极大的便利[2]。无论是在工业领域当中，还是在农业生产过程中；无论是在医学领域，还是在家庭中，ZigBee技术都起着重要的作用。网络监控系统能够对相关的数据进行自动地采集和分析，进而得出精确的结果以促进相关领域的发展和进步。尤其是农业、工业以及军事等领域方面ZigBee无线通信技术具有广阔的发展前景。

例如，在山西大同煤矿中，煤矿企业利用ZigBee技术的优势对煤矿的安全实施有效地监管和控制。尤其是在经济利益的推动下，我国各个地区的煤矿安全事故时有发生。这些安全事故的发生和煤矿企业的安全监控力度的大小具有直接的联系。目前，市场上所销售的安全监控产品都是以有线传输的方式，同时安全监控系统在进行安装的过程中也会碰到一定的烦。

企业利用ZigBee技术的特点从而开发出了一种成本低廉以及体积较小的安全监控系统。

煤矿企业在煤矿的开采过程中能够利用该系统对每一个环节中的情况进行及时地监测。同时，此安全监控系统不仅具有簡易的监控设备，而且能够将每段距离的监控状况进行有效地整合从而准确地传达给煤矿企业的控制中心。通过对ZigBee技术的的应用，煤矿企业能够将整个网路中的各个节点中的工作隐患进行及时地排查从而有效地提高煤矿企业的工作效率。煤矿企业能否安全有效地生产不仅关系到煤矿工作者的生命安全，而且还关系到煤矿企业的经济效益的提高。ZigBee无线通信技术的应用给煤矿企业的安全生产提供了良好的保障。

四、ZigBee无线通信技术的发展前景

ZigBee无线通信技术随着应用范围的不断扩大，其在未来的发展过程中将会涉及更多的领域。ZigBee无线通信技术能够结合传感器的特点，通过两者之间的有机集合从而形成一种具有智能化和自动化的监控网络系统。网络监控系统能够对相关的数据进行自动地采集和分析，进而得出精确的结果以促进相关领域的发展和进步。尤其是农业、工业以及军事等领域方面ZigBee无线通信技术具有广阔的发展前景。

在工业领域中，ZigBee无线通信技术还能够加强对相关的公共设备和生产能源的科学有效地管理。尤其是对一些危险的化学成分的安全检测以及对生产系统的安全监控能够为其正常生产提供一个良好的环境。同时，ZigBee无线通信技术在传感器的应用能够便于对网路数据的传达并作出合理的改善。同时，还能够极大地延长了ZigBee无线通信技术的使用周期和成本。

在农业生产方面，目前我国的农业生产还处在一个初级阶段。由于我国的农业生产主要是以传统的生产方式为主，因此许多的农机装置在使用的过程中应该积极地借助ZigBee无线通信技术的优势。农业生产过程中利用ZigBee无线通信技术能够使其朝着自动化和专业化的方向发展。尤其是在农业中的土壤湿度和降水量等指标的检测都可以充分地利用ZigBee无线通信技术的优点从而方便农业生产者能够尽早地发现问题。ZigBee无线通信技术的应用不仅能够极大地提高了农业生产过程中的工作效率，而且还能够改善农业生产者的经济效益。

除此之外，ZigBee无线通信技术还能够在医学领域和家庭消费领域以及公共设施等方面都能够发挥其重要性能。随着国民经济的迅猛发展，我国的各大生产领域将会更多地借用ZigBee无线通信技术从而为高效生产提供一定的保障。家庭消费领域中的电视和家庭运动休闲机械以及照明等装置都能够借助ZigBee无线通信技术从而有效地降低购买成本。因此，ZigBee无线通信技术在未来具有良好的发展消费市场。如果当我们行走在一个陌生的城市，我们也可以借助ZigBee无线通信技术对相关的地理位置进行定位。

五、结束语

综上所述，ZigBee无线通信技术在我国的各大领域中的应用还处于早期阶段[3]。因此，在实际的应用过程中还需要各大行业不断地加大对相关技术的研发和探讨，从而为ZigBee无线通信技术的应用提供良好的平台。ZigBee无线通信技术能够充分地利用网络传感器的特点以近距离的方式，从而更好地满足用户。

参考文献：

zigbee技术与应用 第5篇

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。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。由于其低功耗；低成本；低复杂度，低速率和组网能力强而成为备受关注的一种通信方式。群所周知，任何一项通信技术及其所属于产业的发展离不开其核心芯片支持，核心芯片的工艺，性能，价格成本决定了所属产业的发展前景，ZigBee作为一项新兴的通信技术，上游芯片厂商在其指引整个ZigBee产业发展方面扮演了非常重要的角色。本文就此来分析下现今市场上ZigBee的主要芯片供应厂商。

目前市场上ZigBee芯片提供商有：TI（Chipcon）；Freescale；Ember;Jennic；Atmel；Integration；NEC；OkI；Renesas;等9家。其中TI；Frescale；Ember；Jennic是市场上主导的供应厂商，这四大厂商基本上垄断了整个90%的市场份额。四大巨头势力都比较均衡，Jennic之前在整体实力和名气上可能稍有欠缺，但自从被NXP收购后，至少在行业影响力方面可以和其它三家的竞争对手平分秋色了。

在技术应用方面，四大芯片厂商可以提供“ZigBee RF+MCU”；“ZigBee协议栈芯片+外挂芯片”；“单SOC”等三种应用方案。这三种方案也是目前ZigBee产业芯片应用的主要应用方式。在“ZigBee RF+MCU”方案中，“ZigBee RF”是一款针对ZigBee协议及专有无线协议的2.4 GHz IEEE 802.15.4 收发器，该序列的芯片集成度都比较高，仅需要极少的电子元器件便可搭建完整的ZigBee协议底层硬件平台，由于该类芯片只是一个符合物理层标准的芯片，它只负责调制解调无线通讯信号，所以必须结合单片机才能完成对数据的接收发送和协议的实现。一般通过SPI和外接的MCU来通讯，由外接的MCU来运行处理ZigBee协议规范里上层应用。TI的cc2420;Frescale的MC13XX;都是此类应用芯片。“ZigBee协议栈芯片+外挂芯片”，在该类应用中，“ZiBee协议栈芯片”都是一款集成了2.4G无线射频收发和微处理器功能的专用芯片，用户可以让该款芯片来处理运行ZigBee协议栈和应用代码，但由于受片上Memory/处理器能力资源的限制，用户需额外配置一个存储芯片/MCU来完善整体的应用性能。Jennic的芯片多基于协议栈+外挂EEPROM的应用，而EMBER260序列是后者的典型应用。“单SOC”是随着半导体工艺发展而衍生的产物，也是当前最主要的一直应用方式，所谓“单SOC”是指把ZigBee射频和单片机以及Flash存储三部分集成在了一颗IC上所谓芯片，可以给用户PCB空间进一步缩小，降低了用户的硬件设计。这类芯片典型的有TI公司的CC2430;Frescale MC1321x；Ember公司的EM250等。

芯片只是实现功能的硬件“载体”，要达到完美的应用，都需要软件协议栈的强大支撑，以上所述的四大巨头都可以提供基于自家芯片的ZigBee协议栈，这其中像TI还是免费提供的。只有提供了基于自家芯片的ZigBee协议栈，开发者才能根据单片机的结构和寄存器的设置并参照协议中物理层部分和网络层部分的ZigBee协议自己去开发各自AP应用代码。如果芯片巨头没有自己的核心协议栈，别家的协议栈底层关于芯片寄存器地址部分的设置可能有所差异，这家给开发者的应用带来严重的阻碍，进而影响了其芯片的市场应用和市场份额。

具体针对国内市场，由于整个ZigBee产业在国内相比于欧美市场有比较明显的差距，缺少上规模和有实质用量的应用，更多的还是停留在关注和学习阶段。因此这四大巨头在国内市场份额就体现出了一定的差异。从熟知度来说，应该是TI序列的芯片名气是最大的，国内不少高校；研究所都是基于TI序列的芯片来研究学习ZigBee的，很多ZigBee开发板；开发套件也都是基于TI芯片的，这可能与TI公司是最先免费提供自己ZigBee协议栈有一定的关系，降低了国内用户学习ZigBee技术的成本门槛。而像Frescale;Ember等公司由于一直还没有免费公布自己的ZigBee协议栈，其开发套件成本都在几W人民币，过高的学习费用门槛，导致普通学生或者工程师用户望尘莫及，因此在知名度方面要稍有逊色。但纵观国内ZigBee OEM客户厂商，真正有一定规模应用和影响力的厂商在选择应用芯片方案平台时，TI并没有体现出和知名度相匹配匹配的优势出来，四大巨头之间的竞争又趋于平衡。从国内行情来分析，基于Frescal和Ember两家公司方案在工业类的应用偏多，而TI和jennic两家的方案产品在消费类产品中较常见。这不知道是否和芯片的内在因素有一定的必然关系？值得我们后面继续关注比较。

ZigBee现状及前景分析

ZigBee从2002年ZigBee Alliance成立到2006年联盟推出比较成熟的ZigBee 2006标准协议，至今已走过了多个春秋，当Zigbee几年前刚出现时，它的支持者曾设想这种基于IEEE 802.15.4规范的无线技术拥有潜在的巨大市场。在低吞吐量、短距离通信应用中，成本是第一王牌，而类似蓝牙、802.11x和802.15.3等规范的性能过于强大。但对于一些Zigbee支持者来说，当初的设想并没有成为现实。

任何一项通信协议标准都离不开上游芯片厂商的支持和推动，ZigBee作为一项低功耗；低速率无线短距离传输应用的标准，自然也离不开芯片厂商的支持。从整个ZigBee产业联盟来看，主要的上游芯片供应商有五家，分别为Jennic;Ti(Chipcon）；Frescale;Ember;Ateml。“芯片”实际上只是一个符合物理层标准的芯片，它只负责调制解调无线通讯信号，所以必须结合单片机才能完成对数据的接收发送和协议的实现。为了进一步减少OEM厂商的成本，部分上游芯片厂商推出了在单颗芯片上同时集成了物理层的收发和单片机功能的单Soc解决方案，单Soc把射频部分和单片机部分集成在了一起，不需要额外的一个单片机，它的好处是节约成本，简化设计电路。而且基本上每家芯片公司都免费提供了基于自家芯片的ZigBee协议栈，大大地加速了ZigBee的应用和普及。

随着ZigBee协议标准的逐步完善和物联网大环境的带动，整个ZigBee产业可以说是朝着越来越繁盛的趋势发展，在5大上游芯片厂商和ZigBee联盟的不断努力推动下，基于ZigBee应用层出不穷，并和我们的实际生活接轨，让人们的生活更加智能美好了！ZigBee芯片全球销售收入逐年递增，ABI统计和预测了从2005年至2012年全球芯片的销售收入，如下图1所示：

图1 全球ZigBee芯片销售收入 ZigBee技术的应用十分广泛，现阶段以商业大楼自动化，家庭自动化控制（新建安装）与仪表控制为重点。商业大楼可以利用ZigBee完成自动控制，管理员可以有效地管理空调，灯光，火灾感应系统等各项开关控制系统，可以达到减少能源费用，降低管理人力等节约目的。对消费者来说，若家中具有ZigBee系统，可方便的监控家中的整体运作，有效掌握电力，自来水，瓦斯的使用状况之外，亦可以具有安全功能，例如可以在家中安装无线传感器来监控各种不同情况，一旦侦查到异状即可自动发出警告。ZigBee在仪表控制市场随着国际仪表巨头中国华立仪表集团；韩国NURI Telecom等纷纷开始引进ZigBee技术之仪表控制系统之后，这个市场开始受到重视。ZigBee仪表控制系统相当适合人工高昂，幅员辽阔，或是抄表员素质不良，抄表准确度不高，又或抄表员不易进入水，电，瓦斯仪表所在地的地方。具有这样背景的地方促使ZigBee仪表控制市场具有一定的需求。

虽然ZigBee应用越来越多，芯片出货量也连年递增，但总体来说，ZigBee市场仍然处于起步探索阶段，还没有真正上量起飞，主要表现在在于可应用的终端商用产品还多处于研发阶段，真正上市的不多，具有典型应用的方向和领域便少，点对点的应用较多，体现ZigBee优势的网状网络应用少，缺乏体现ZigBee大型组网应用。

虽然ZigBee在艰难中前进，但未来整个ZigBee产品还是值得我们期待，从技术标准层面上来看，未来ZigBee将紧密迎合物联网大概念方向趋势的发展，努力扮演好传输层界面上的角色，在ZigBee联盟的推动下，ZigBee技术将朝着开发SoC（片上系统），更多规范，于IPV6结合，更廉价，更省电，更快速等方向发展。从应用领域和方向方面来看，ZigBee完全有机会开拓在目前大然的智能手机领域中的应用，目前智能手机领域里短距离数据传输主要是通过蓝牙方式来实现，但相比于蓝牙，ZigBee的低功耗更具有优势，2节5号干电池可支持1个节点工作6~24个月，甚至更长，相比较，蓝牙能工作数周，WiFi只能工作数小时。同时，贵重设备的定位也是未来值得关注的一个大的潜在应用领域，加大在大型停车场，矿井人员定位等方面的应用。

作为离我们最近的中国市场，ZigBee产品的应用爆发可能需要的时间更长，中国的无线网络市场还未成熟，本土厂商的参与度还非常有限，未来ZigBee产业人士要加大无线自动抄表系统，车用无线领域等工业应用，便携设备等高端市场的应用。

zigbee技术与应用 第6篇

【摘 要】本文基于ZigBee无线网络，结合超高频射频识别（UHF RFID）技术设计出能够通过互联网进行远距离监控的开放性实验室设备管理系统。系统将ZigBee网络与以太网结合，使用RFID完成对实验室现场的监控，能够对实验室设备进行全生命周期的跟踪和定位，实现了对实验室安全的自动化监控，从而有效提高了开放性实验室设备管理的效率和实验室智能化管理水平，满足实验室设备管理和安全管理对实时性和便捷性的要求。

【关键词】开放性实验室；设备管理；Zigbee；RFID

Design of Open Laboratory Management System Based on Zigbee

YE Heng-xiao WANG Qing-quan HE Peng-fei XIANG Wei-kai

（Mechanical & Electrical Engineering College，Jiaxing University，Jiaxing Zhejiang 314001，China）

【Abstract】An open laboratory equipment management system is designed for remote monitoring via the Internet based on ZigBee wireless network，combined with UHF radio frequency identification（UHF RFID）technology.The system complete the automation of laboratory site monitoring and achieve tracking and positioning laboratory equipment in full life cycle.In practice，it is effectively improved that the equipment management efficiency and intelligent management level.The system meet laboratory equipment management and security management for real-time and convenience requirements.【Key words】Open laboratory；Equipment management；Zigbee；RFID

0 引言

近年来，为培养学生的创新意识和综合素质，引导学生的自主学习，使学生科技活动大众化、日常化，我院陆续建立了机械设计创新基地、电子信息创新实验室等开放性实验室，为学生自主开展科学研究和科技竞赛活动提供了实验室空间和资源。但与教学型实验室相比，开放性实验室的人员和设备流动性较大，开放时间长，增大了实验室管理人员的设备管理工作量和安全监管难度。因此，如何实现实验室全方位开放和实验室安全高效的管理已成为实验室管理人员亟待解决的重要问题。在此背景下，本文基于ZigBee无线网络，结合超高频射频识别（UHF RFID）技术设计出能够通过互联网进行远距离监控的开放性实验室设备管理系统[12-14]。系统将ZigBee网络与以太网结合，使用RFID完成对实验室现场的监控，能够对实验室设备进行全生命周期的跟踪和定位，实现了对实验室安全的自动化监控，从而有效提高了开放性实验室设备管理的效率和实验室智能化管理水平，满足了实验室设备管理和安全管理对实时性和便捷性的要求。系统总体结构设计

系统由粘贴在设备上的电子标签、ZigBee终端节点（RFID读写器/阅读器）、ZigBee路由节点、ZigBee协调器（ZigBee/Ethernet网关）、应用管理服务器等几部分组成[6]，系统总体结构图如图1所示。

电子标签采用超高频无源射频标签[15]，内部贮存设备的编号、规格型号、维修记录、存放地点、价格等相关信息。终端节点的超高频RFID读写模块读取辐射范围内的电子标签的数据，经由板载的ZigBee射频模块把RFID采集的设备信息发送给ZigBee网关//协调器。终端节点同时接收来自ZigBee协调器的控制信息并传输给RFID读写模块。根据工作方式划分，终端节点又可划分为固定式RFID读写器和手持式RFID读写器两类[5]。其中，固定式RFID读写器分布在各个实验室入口处，主要负责设备出入定位，手持式RFID读写器用于日常设备巡检和电子标签管理。ZigBee网关/协调器安装于ZigBee无线传感网和以太网之间，收集来自各终端节点的数据，并将数据通过以太网传递给以太网中的应用管理服务器。通过网关实现了ZigBee数据包和以太网 TCP / IP数据包的透明传输，用户无需访问无线传感网中的各个终端节点就可以收集相关设备数据。应用管理服务器负责通过以太网接口接收来自ZigBee网关/协调器节点上传输来的设备数据，并保存在服务器中的数据库中。同时服务器通过以太网向ZigBee网关/协调器节点发出用于控制RFID读写模块的命令。另一方面，服务器提供局域网web服务，方便实验室管理人员通过访问服务器查看设备记录数据库[7]。

图1 系统总体结构图系统硬件设计

系统硬件包括ZigBee网关/协调器、ZigBee路由节点、终端节点。

2.1 ZigBee网关/协调器设计

ZigBee网关/协调器由以下部件构成：STM32F107VCT核心板、EMZ3118 ZigBee射频通信板、扩展底板。核心板包括STM32F107VCT微控制器、复位电路、时钟电路和调试电路等，构成微控制器最小系统。EMZ3118射频通信板实现ZigBee网络中协调器节点功能。EMZ3118是上海庆科公司生产的基于STM32W108的嵌入式ZigBee可编程应用模块，提供了ZigBee/IEEE802.15.4兼容的无线解决方案，其发射功率达到100mW，发射距离远，信号稳定，可满足低成本的无线传感网需求。采用该模块降低了使用STM32W108芯片时硬件设计的难度。扩展底板上包含电源电路、以太网接口电路、液晶驱动电路、键盘接口等。

2.1.1 ZigBee通信接口结构

EMZ3118整合了ZigBee射频（RF）前端，带有外部射频功率放大器，最大传输功率输出在-7～20dbm之间可编程，其视野范围内最大传输距离可达1.6km，RF数据速率250kb/s。模块有36个输出引脚，其中有24个GPIO输出端口引脚，4个中断端口引脚，6路12位A/D端口引脚，支持两路串行接口（UART/SPI/I2C）。设计中EMZ3118模块通过SPI接口与STM32F107VCT连接。模块的外部功放是通过STM32F108W的4个引脚来控制，其中PA3口控制外部功放电源，PA6口控制外部功放使能，PC5控制模块发射/接收操作模式，PA7控制输出天线接口类型。

2.1.2 以太网接口电路

网关主控制器STM32F107VCT内部已集成介质访问控制器（MAC），支持 10M/100M 的以太网通信，提供了MII和 RMII两种接口模式。设计中主控芯片需要通过外部物理层接口芯片才能连接到物理层LAN总线。设计中使用DP83848VV，该芯片是TI公司生产的全功能低功耗10M/100M单端口物理层接口芯片。为了简化设计，设计中主控芯片和DP83848VV间采用RMII接口模式，这样RMII数据收发上比MII接口少了一倍的信号线。RMII接口模式下要求的50M总线时钟则由外部有源晶振SM7745DEV提供。网关与外部以太网通信还需要 RJ-45 接口，设计中选用了汉仁公司的网络变压器HR911105A，该网络变压器集成了网络变压器和RJ-45接口，可满足IEEE 802.3的电气隔离要求，解决前端信号因衰减、损耗等原因引起的数据丢包、传输中断等问题，从而有效保障了无失真传输以太网信号，并抑制辐射发射。

2.1.3 人机交互接口电路设计

人机接口包括4个通用彩色LED指示灯，带选择键的 4 向操作杆，通用按键、唤醒键和入侵检测按键，带触摸屏的3.2“TFT 彩色 LCD 显示屏。LCD 显示屏采用AM-240320D4TOQW，内置驱动器ILI9320，分辨率240（RGB）×320像素，可选SPI串行数据接口和18位RGB 并行数据接口。设计中数据接口采用SPI接口，触摸屏的4位数据接口通过外部I/O 扩展芯片STMPE811连接。

2.2 ZigBee终端节点设计

ZigBee终端节点由主控制器、超高频RFID读写单元、ZigBee射频单元、液晶驱动、温湿度传感器、键盘、调试电路等组成。基于成本考虑，终端节点的主控制器采用STM32F103，而ZigBee射频单元和人机交互电路与网关采用相同设计。设计中主控制器通过ZigBee无线接口接收服务器发送的指令并解析，实现对超高频RFID读写单元的控制和操作，同时将超高频RFID读写单元所采集的信息无线传输给服务器。因此，终端节点设计中超高频RFID读写单元是设计中的重点和难点。

2.2.1 超高频RFID射频电路设计[8-9]

RFID射频模块采用超高频RFID读写器专用芯片AS3993[3]。AS3993是奥地利微电子公司最新推出的EPC Class 1 Gen 2 RFID阅读器芯片，实现了完备的RFID功能，可在普通模式下兼容ISO 18000-6C标准，在直接阅读模式下兼容ISO 18000-6A/B标准。该芯片集成度高，集成了模拟前端和底层协议处理，内置压控震荡器（VCO）和最大20dBm功率放大器，接收灵敏度达到90dB，支持跳频、数据底层传输编解码、数据组帧和循环冗余校验，具有低功耗的特点，并且对由天线反射回波等引起的干扰具有免疫效果。这对本文中移动式巡检器和固定式阅读器的设计极其重要。因为在RFID读写器设计中，天线设计经常遭受成本或尺寸限制。高灵敏度可使RFID读写器设计在达到自身要求的同时，可以使用更简单和便宜的天线，从而降低了系统成本和设计难度。本文设计中把以AS3993为核心的阅读器模拟前端设计成模块，这样模块可以很方便的与控制器STM32F103通过SPI接口实现数据交互。

2.2.2 传感器电路设计

终端节点的温湿度传感器和光强传感器用于检测实验室的环境参数。设计中温湿度传感器采用SHT11，其内置14位AD，串行数字输出，相对湿度精度达到±3RH，温度测量精度±0.4℃，使用中采用I2C接口与控制器通讯。光强传感器采用TAOS公司的TSL256x。TSL256x提供了I2C接口和中断输出接口，可编程设置光强度上下阀值，其模拟增益和数字输出可程控控制，适用于实验室光照控制和安全照明的应用。ZigBee无线组网策略[11]

ZigBee有星型（Star）、树型（Cluster Tree）和网状（Mesh）三种组网方式。考虑到各个开放实验室分布在同一楼层的不同房间，覆盖面广，并且距离相距较远，需要ZigBee网络能够覆盖整个楼层，并具有较远的通信距离，同时要求ZigBee具有较高的可靠性和健壮性。综合考虑三种组网方式的优缺点，设计中采用网状拓扑结构组网。各个安装在实验室出入口的固定式阅读器的ZigBee节点全部作为全功能设备，与分布在实验室内的各路由节点组成的的网状拓扑结构覆盖了整个楼层，提高了网络的可靠性和覆盖范围，便于移动式巡检器在整个楼层范围内的可靠有效工作。系统软件设计

4.1 网关软件设计

网关软件采用uCOS-II嵌入式实时操作系统，主要包括系统和外围模块底层驱动、网关应用层协议和应用程序设计等部分。根据网关的功能需求，应用程序划分为系统驱动和控制任务、文件管理任务、人机交互任务、Zigbee组网任务、WSN通信交互任务、以太网通信交互任务、协议转换任务等，由uCOS-II内核统一调度管理。

zigbee技术与应用 第7篇

1 Zig Bee技术概述

Zig Bee技术主要是指一种新兴的无线通信技术,最早源于蜜蜂之间相互传递划分位置信息的八字舞,具有成本低、功耗低等特点。随着经济快速发展,家居设备层出不穷,需要更多的节点,加之组件仅限于家居室内通信,对通信距离要求并不高。因此Zig Bee技术组网更加便捷、且支持的节点数量更多,符合日益增长的家电需求。

Zig Bee技术在智能家居系统中的应用,其优势表现如下:

1.1 功耗较低

Zig Bee技术通信速率较低,且引入了休眠机制,当处于休眠待机状态时,电流仅有100u A。在同等条件下,Wi Fi仅能够工作几小时,蓝牙只能工作几周,而Zig Bee技术能够工作半年至一年的时间,使用起来更加方便。

1.2 容量大

一个Zig Bee子网能够容纳255个网络节点,将子网连接到一起,最多能够构成64000个网络节点,充分满足当前家居系统家电设备越来越多的需求。

1.3 成本低

Zig Bee协议较为简单,对通信控制器要求并不高,使得控制芯片的造价更低。Zig Bee通信模块成本在10~20元之间,能够被更多家庭接受,经济性优势更加突出,为其广泛推广奠定了良好的基础。

2 基于Zig Bee技术智能家居系统设计

2.1 设计要求

基于传统智能家居系统存在的滞后性,本文对提出的建立在Zig Bee技术基础上的智能家居系统设计要求做出了相应的调整。详细来说,

2.1.1 数据传输精确度

系统运行将所有家电整合到一起,在同一个网络当中互相协作。控制器需要根据不同的参数进行调整和控制。因此我们首先要做到的就是确保数据传输精确度。

2.1.2 自我恢复性

家电设备长时间使用极有可能受到网络故障的影响,出现网朴结构混乱问题,因此构建一个智能化网络非常必要,当遇到故障时,能够自动恢复到正常状态当中。

2.1.3 可拓展性

随着技术不断发展,人们需求也会发生变化。因此要赋予系统可拓展性,满足家庭设备不断增长的需求。

2.2 系统功能

本文提出的Zig Bee技术的智能家居系统主要由三个部分构成。首先智能传感器作为系统的首要环节,能够广泛收集到不同传感器节点发送出来的信号。其次,传感器汇集设备能够对不同的传感器进行控制,具有承上启下功能。最后,数据中心主要负责处理用户控制事件。当用户发出控制指令时,系统能及时收到信息并对信息进行处理,进而传送给制定的设备做出控制反应。

2.3 模块划分

2.3.1 传感器结构

该结构主要包含flash存储、滤波及对信息的预处理模块。

2.3.2 A板结构

系统在运行过程中,当信息传递时,传感器能够通过控制口进行信息传递和交换。微处理器需要传送不同的数据给Zig Bee通信模块。该结构主要负责数据打包、分解,并对数据进行分析,尤其是火警、防盗等信息的判断。如果Zig Bee无法接收信息,会将信息存储到flash系统当中。

2.3.3 B板结构

B板有线网口,GPRS、Zig Bee及微处理器能够同时使用同一个接口,且不会互相影响。在使用中,该结构主要负责键盘输入、时间同步及定位等。模块划分,系统功能框架图如下图1所示。

2.4 硬件实现

(1)处理器作为系统运行的重要基础,其质量好坏直接影响系统运行质量。基于此,本文从多方面考虑,选择了单片机PIC18LF4620,该设备性能较好,且引入了先进的框架结构,较传统设备更具优势,如运行成本更低、存储量更大,在智能家居系统中应用,能够为数据传递创建良好的平台。

(2)对于无线芯片的选择,笔者经过比较,最后选择了CC2420频射芯片,该芯片运行速度快,且具备多对多传送功能。

(3)针对主控制模块的设计,当Zig Bee主控制模块收到从控制模块发来的数据信息后,单片机将会进入到低电平状态中,直至信息接收完整。然后主控制模块与单片机转变到反射模式,提供反馈信息。最后通过显示屏内容帮助使用者了解自己家中的情况。

2.5 软件实现

2.5.1 应用层

Web服务页面、数据文件及接口程序共同构成了智能家居系统的核心。当系统运行时,用户登录到相关界面上发出相应的指令,信息会通过Zig Bee网络传输到服务器上,而服务器将会对信息进行整理、分析等,存储到数据库文件当中,最后发出对家电设备的控制,使得家电处于关闭或者开启等状态,完成整个操控过程。

2.5.2 应用层

利用Zig Bee模块对中断器、寄存器等设备进行指令发送等。主控制器接收到用户传输的信息,会通过无线模块传递给控制模块,以此来对家居设备进行控制。

2.5.3 协调器节点设计

协调器节点作为整个Zig Bee无线网络的管理员,在整个系统中占据非常重要的位置,能够进行网络建立、分配地址等操作。因此,在Zig Bee网络中,我们需要安装一个协调器作为网络的主要节点,以此来提升整个系统运行有效性。

2.5.4 终端节点

终端节点是整个网络结构中最为简单的环节。在系统运行过程中,能够接收到来自主节点的信息。由于其不需要与邻近节点协调,并兼具路由功能,故能够赋予系统更强的性能。同时当系统处于休眠状态时,其每个终端节点处于低功耗状态,能够节省大量电能,降低系统运行成本。

综上:基于Zig Bee技术的智能家居系统设计,其融合了多元技术,形成了更具人性化、直观化特点的家居系统,为人们生活的更加便利奠定了坚实的技术基础。

3 基于Zig Bee技术智能家居系统的实现与应用

为了提高文章研究的实用性,笔者将结合具体的家电进行研究。包含:

3.1 灯光控制

将Zig Bee技术作为基础的灯光控制,在实践中,主要采取的是一对一、一对多的控制。在此基础上,能够确保使用者通过软件实现灯光控制,减少对电力资源的浪费以及提升用户使用的便捷性。

系统运行中,用户通过远端遥控,将指令传递给Zig Bee系统中的B板,当数据1位出现001时,那么对应的灯将会处于照明状态。当数据2位显示1时,对应的灯也会开,而当数据显示为0时,灯光将会处于关闭状态。通过此,用户能够借助无线通讯远端操控灯光开关与强弱,从而为人们生活提供更多便捷,且能够在很大程度上减少对电能的浪费。

3.2 智能窗帘控制

对于窗帘的控制,就是对各类带有电动马达设备的控制,能够进行开关及停的操控,如卷帘门、电动门等。当系统运行时,用户按下“open”、“close”键时,窗帘就会自动拉看或者关闭,当达到相应的位置后也会自动停止,完成整个操作目标。如果用户不需要完全打开或者关闭,可以按下“stop”,窗帘会在指定位置停下。

实现上述目标的关键在于系统内部拥有的单片机,能够积极响应各个用户发出来的信号,其中包括Zig Bee指令信号的传送、控制等,从而实现对智能窗帘的有效控制。当系统接收到发射出来的信号后,自然会做出对应的动作。如提前设置好窗帘开关时间,或者根据光线调整窗帘的开关等,使得人们能够在更加舒适的环境中工作和生活。

3.3 其他智能电器控制

除了传统的感应、无线射频控制,万能遥控学习成为Zig Bee技术支持下智能家居系统的一大特色。通常来说,不同家电都具有不同的操控指令,而同一家电中还具备多个功能。而这些都能够通过家居系统完成控制目标。该功能实现各种家电联动与远程开关控制,用户仅通过短信、电话,便能够进入家门之前将家电打开。从系统内部来看,当用户发出指令后,Zig Bee会进行数据传输、接收,系统通过之前设置好的代码创建文件,读取指令后,从而实现对电器的操作。

针对不同电器的控制,当用户发出指令后,B板会发挥自身承上启下功能,B板通过Zig Bee接收,按照具体的协议进行分类,并对电器进行判断,如当B板接收到的数据为1,1,0,0时,主要是开启某项功能。

4 结论

根据上文所述,自人类社会正式进入到数字化时代,电子、计算机等技术在人们生活中得到了广泛普及。随着人们生活家居家电设备的增加,将其与无线通信技术、电线技术等整合到一起,通过智能化管理从而实现家居生活智能化的目标。本文立足于Zig Bee技术优势,提出了一种新型智能家居系统,不仅对传统家居系统存在的缺陷进行了调整和优化,且赋予系统更多新功能,在很大程度上提高了人们的生活质量。由于智能家居与人们生活存在非常密切的联系,未来还会对智能酒店、客房控制、城市能源、城市交通等方面产生巨大的影响力。因此随着技术不断发展,我们还需要加大研究力度,加快智能家居系统朝着网络化、信息化方向发展,从而促使人们生活更加美好。

参考文献

[1]吴艺娟,秦彩云,万米洋.基于ZigBee技术的智能家居环境监测系统设计[J].北京石油化工学院学报,2013(01):46-50.

[2]林旭东.基于Zigbee技术的智能家居电器控制系统设计[J].吉林工程技术师范学院学报,2013(09):94-96.

[3]代家强,孙智卿.基于无线网络技术的智能家居能量管理系统开发及需求侧管理应用研究[J].陕西电力,2013(10):39-43.

[4]易强,张向伟,徐悦.GSM与ZigBee技术在智能家居控制系统中的应用设计[J].广东工业大学学报,2012(01):55-58.

[5]姚建峰,郭旭展.基于Zigbee技术的智能家居系统主控制器设计[J].软件导刊,2016(01):102-104.

[6]赵富强,王长坤,李露,张传聪.基于STM32、以太网和ZigBee技术的智能家居系统的设计[J].测控技术,2016(04):94-97.

zigbee技术与应用 第8篇

关键词：ZigBee；定位；监狱人员定位系统

1.引言

目前的监狱人员定位管理，基本还停留在人工管理阶段，以监狱狱警巡查记录加摄像机监视报警方式进行管理，对于移动中的人员，信息更新慢，准确度不高。监狱人员位置信息采集主要靠狱警巡查然后手工记录完成，无法将实时位置和在押人员真正关联起来。

由于监狱人员定位管理水平不高，导致一系列恶性越狱事件未能及时被发现并制止，如呼和浩特的越狱事件，给社会造成极大危害。为防止越狱事件的再次发生，防止犯罪分子再次危害社会，建设监狱人员定位管理系统迫在眉睫。

ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，Zig.Bee技术具备功耗小、时延短、网络容量大和安全等优点，在短距离、低功耗、无线通信中具备特有的技术优势，ZigBee技术应用于小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域.我们针对监狱设计了基于ZigBee技术的监狱人员定位系统。

2.ZigBee技术

2.1ZigBee技术简介：ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率(250kB／s)、低功耗、低成本、自组网、低复杂度、安全可靠、高扩展性的双向无线通信技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。ZigBee的基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域网(PersonalAreaNetwork，PAN)工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4ZigBee技术标准，主要适用于自动控制和远程控制领域，支持地理定位功能。作为一种无线通信技术，ZigBee技术具有以下特点：

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。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。

成本低：ZigBee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。

时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，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(女nSE业控制场合等)应用。

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Zig—Bee网络，而且网络组成灵活。

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。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都，必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

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定其安全属性。

2.2ZigBee技术在实现监狱人员定位功能中的优势

目前实现人员定位的技术很多，如GPS定位、手机基站定位、RFID定位、WIFI定位等。GPS定位与手机基站定位因需要类似手机终端，不便于管理，虽然定位功能不错，但并不适合监狱这一个管理严格的场所。RFID、WIFI、ZigBee技术都能很好的完成监狱人员定位功能，

ZigBee与WIFI采用同样的算法实现定位，但是WIFI设备的耗电量太大，设备需要频繁更换电池或充电，对人员定位功能有影响以及不方便管理：RFID与ZigBee相比，定位算法虽然不一样，但是在达到相同定位效果及密度的前提下，RFID设备的安装密度会远大于Zigbee设备，而且RFID采用的是有线传输需要布线，安装工程量都比较大。综上所述，ZigBee技术成本低、耗电小、传输可靠、实现复杂度以及应用适合度等优势，在目前常见的集中定位技术中更加适合于用以监狱人员定位系统的功能。

3.监狱人员定位系统的系统组成级工作原理

3.1系统组成：定位系统有软件系统和硬件系统组成，其中软件系统用于完成信息采集、识别、分析及其传输，硬件系统由地面监控计算机、传输适配器、射频基站、射频读卡器、射频身份卡和天线等组成，用于完成信息采集和识别，从而实现人员识别、定位的功能。软件系统和硬件系统共同支撑着整个系统的运行，并演绎出各种不同的功能应用。各硬件设备功能如下：

射频身份卡。具有唯一的全球眼ID，其内部储存着一个人员的信息，用来识别目标对象。射频身份卡分为干警用和犯人用2种，干警武警等人员使用的射频卡带有主动发送数据的按键，具有主动发信号让读卡器接收数据功能，用于值班人员定时上报所在位置，以防止人卡分离情况；犯人用射频卡安装与防插卸电子腕带上，由读卡器主动采取射频卡数据，不主动上传。

射频读卡器。根据监狱的定位要求，在每个定位点安装一个射频读卡器，射频读卡器能主动发送信号激活在定位范围内的射频卡上传射频卡数据，也可接收主动上传的干警射频身份卡数据。然后将数据通过ZigBee无线网络传至附近的射频基站。

射频基站。根据监狱的定位要求，将监狱分为几个定位区域，分别安装一个射频基站，用于接收射频读卡器上传的射频卡数据，并将数据传至人员定位系统，再由软件系统对数据进行识别、分析人员位置信息。

3.2工作原理：以满足监狱定位要求为目的，先将监狱划分几个区域，然后在每个区域内建设一个射频基站；然后在监狱周界围墙、建筑物内、各出入门禁处、监狱狱内活动场所等公共区域、监狱劳动场所、监狱押运车、巡更点等位置安装射频读卡器；最后给监狱的所有工作人员和犯人配发唯一的射频身份卡或电子腕带射频卡，工作人员的射频卡为主动式可以主动上传数据，犯人的为被动式需进入射频读卡器范围内并被激活后上传数据信息。射频读卡器的读取的数据通过ZigBee无线网络传输到人员定位系统，识别、分析出相关人员的具体位置。

4.监狱人员定位系统功能应用

采用ZigBee技术实现监狱人员跟踪定位，系统的软件设计能实现如下功能应用：

4.1地图与设备管理

4.1.1地图管理：监狱人员定位系统中的电子地图功能能够直观显示监狱所有射频卡、读卡器和基站的信息，可以通过鼠标直接点击查看相关的信息。地图管理功能能够支持电子地图功能运行并对地图进行一些配置，如地图加载信息的设置，可以有选择的设置地图上加载的信息：地图编辑可以对地图进行放大和缩小，

让定位位置更精确；地图属性管理可以对地图只读、控制、显示进行修改，方便对地图的管理。

4.1.2设备管理：监管人员可对监狱人员定位中的硬件设备进行管理配置，如基站、读卡器、射频卡的发射频率、扫描频率；无线传输网络配置；增加基站或者读卡器设备；射频卡对应的人员信息。

4.2人员监控定位

4.2.1出入管理：在监狱大门、二道门、监舍大门、监区门、医院、接见室、监舍、工厂、农场、煤场等进出区域可以安装定位读写器。当被监控人员通过时系统立刻记录下来通过犯人信息及时间。系统可指定时段指定对象进行出入管理，发现违规现象，系统立即告警并显示违规人员信息及最后定位系统定位位置。如在监狱大门通道里装上读写器，当车辆出入时，如果有犯人藏匿于车中，不再需要值班干警上车检查，只要车辆进入通道，读卡器就会扫描到犯人射频卡数据，则会发出报警告知值班人员和监管人员严格核查。

4.2.2全天行程监控：读卡器记录所有射频卡的信息及时间，然后通过人员定位系统分析得出人员的全天的行程信息，可以实现对人员进行全天行程监控的功能并支持人员行动轨迹的查看。

4.2.3区域人数监控：可以协助监管人员统计相关区域的人数管理，事先设定相关人员的区域，读卡器将记录读取的射频卡数据并有人员定位系统统计。区域人数监控能够有效监控区域的人数密集和人员迅速聚集情况，并且可以定时清点区域内人数，查看是否有犯人溜号等情况。

4.2.4行动区域监控：对所有人员的位置进行监控，根据人员的相关权限，对人员的行动区域进行监控，判断人员是否有越界行为，如果有越界行为则触发系统的越界告警。

4.2.5周界围墙管理：在监狱周界围墙每隔一段距离安装一台ZigBee读卡器，扫描范围设定为距围墙2米内，也就是监狱内部物理隔离网附近。当在此扫描范围内扫描到犯人的射频卡数据，则会发出周界围墙预警信息，提醒监管人员核查，如发现有越狱行为，可立即启动越狱事件应急处置预案进行处理。

4.2.6外出劳动管理：犯人在农田，矿场等开阔区域进行劳动改造，可快速搭建无线监控定位系统，对外出人员进行全程监控，防止外出劳动人员逃脱事件发生。监狱监控中心也可以通过监控终端随时了解外出人员情况，出现异常情况可即时采取措施。

4.2.7押运途中管理：对监狱在押人员外出就医、提审、转监等需要外出时除了对车辆进行定位管理，还可以辆内部在押人员及押车狱警进行全程监控，监控中心可随时了解在押运途中车辆及车内人员情况。

每个车辆内配置车载GPS定位器，用于定位车辆位置，并且车内安装ZigBee读卡器，押运狱警及在押人员佩戴身份卡，系统预制外出授权人员信息(时间段信息、人员信息)，读卡器接收的信息将通过无线网络传输到人员定位管理系统。当车内人员在途中离开车辆时，系统发出告警信息，监狱监控中心即可及时获取信息。当车辆驶出监狱门岗系统自动设置为监控状态，安全抵达后系统自动转成空闲状态。

4.2.8巡更管理功能：对犯人巡更进行监督管理功能，对巡更路线进行跟踪并监督巡更路线是否符合规定路线。设定犯人的巡更路线及巡更时间，一旦读卡器在规定时间未读取到巡更人员射频卡数据或者巡更点读卡器在非巡更时间读取到巡更人员射频卡数据等，系统均会发出报警并提醒监管人员处理。

4.2.9狱警考勤管理：对狱警的值班情况进行监管，读卡器定时扫描狱警身份卡数据、狱警身份卡定时上报自己的位置信息，人员定位系统对扫描的数据及接收的数据进行分析，判断预警值班情况是否正常，是否出现人卡分离、人员脱岗、私自调班等现象。

4.3违规告警功能：越界告警，对读卡器接收的射频卡信息进行登记，发现有未登记的射频卡数据，系统认定为携带此射频卡的人员有越界行为，系统会发出越界报警提示监管人员核查。如干警办公区域出现犯人射频卡数据、周界围墙附近出现犯人数据都会发出越界报警。

人员密集告警，系统对一些公共区域或监舍的人数进行限定，当读卡器读取的射频卡数据超过规定的人数后，系统会发出预警信息提示监管人员该区域人员密集；

人员快速聚集告警，系统对每个区域的读卡器每个时间读取的射频卡数据进行统计，当某段时间内几次统计结果显示人数不断决速增加，增加频率超过某一设定数据后，系统则发出人员短时间内快速聚集的预警信息提示监管人员对该区域进行核查；

值班人员考勤告警，值班人员使用的是身份卡，为防止人卡分离现象，干警身份卡要求定时上报手动按发送键上传数据信息。当值班室的读卡器扫描到值班人员身份卡信息并接收到身份卡主动上传的信息，而且身份卡信息与当前位置的值班表人员信息相符，则认为当前值班人员值班正常时，否则将会发出报警信息提示监管人员对值班情况进行核查。

巡更告警，巡更人(射频卡)没有按规定时间出现在巡更点(读卡器)接收数据里，则认为巡更不正常，有可能是未巡更或者没按巡更路线巡更，系统会发出巡更报警提示监管人员进行处理。

清点异常告警，规定时间规定区域内读卡器读取的数据信息经过分析统计后，出现少人、多人或者人员信息不符等系统会发出报警信息提示监管人员核查。

押解途中告警，押解车在途中当车内人员在途中离开车辆时，读卡器未扫描到人员信息后，系统发出告警信息提示监管人员紧急处置。

射频卡报警，防止卡被丢弃、保利拆卸、不工作等，系统会发出射频卡报警信息提示监管人员核查是否为人员破坏或者射频卡故障等。