融合GPRS技術(shù)的ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )

摘要：ZigBee是一種低成本低速率低功耗的雙向無(wú)線(xiàn)通訊標準，CPRS是基于GSM的一種低成本高效率數據包通訊協(xié)議。文章闡述了基于ZigBee和GPRS融合的WAN-LAN通訊系統，并且提出了一種可以實(shí)現的硬件結構，該結構結合了CAN總線(xiàn)通訊協(xié)議，可以用于工業(yè)控制領(lǐng)域，并且具備低成本傳送距離長(cháng)的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)；ZigBee

O 引言
隨著(zhù)通訊技術(shù)的發(fā)展，傳統的信息和控制傳送的方式正在被新的技術(shù)所取代，有線(xiàn)的非功率傳送的通訊和控制系統由于線(xiàn)路安裝和維護的成本高昂，隨著(zhù)時(shí)間的推移可靠性更加難以保證，而且網(wǎng)絡(luò )的組織一經(jīng)安裝完畢就不可更改，除非再次布網(wǎng)，而無(wú)線(xiàn)的通訊和控制傳送網(wǎng)絡(luò )由于低成本、低功耗、組網(wǎng)方便正日益得到廣泛的應用。
短距離無(wú)線(xiàn)通訊的歷史發(fā)展到標準網(wǎng)絡(luò )是近十幾年的事，目前正在成為無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的一大熱點(diǎn)，表1列出了正在使用的幾種主要標準的發(fā)展時(shí)間表和主要特點(diǎn)：

紅外技術(shù)成本較低，具有很好的安全性和抗干擾性，但是傳輸距離較短且為視距傳播，無(wú)法組網(wǎng)。Wi-Fi傳輸速率高、傳輸距離遠，可以實(shí)現小范圍的組網(wǎng)，但是Wi-Fi的802．11的射頻和基帶協(xié)議較為復雜，實(shí)現成本高、功耗大，實(shí)現嵌入式應用困難。Home RF的共享協(xié)議主要是側重于PC及其外設，成本較高，抗干擾性較差。藍牙的技術(shù)比較復雜，應用系統費用高、功耗高、產(chǎn)品的互操作性還未得到很好的解決。而zigBee的成本低、功耗低，可以勝任Wi-Fi無(wú)法勝任的領(lǐng)域，可以補充藍牙技術(shù)達不到的低速率長(cháng)距離的技術(shù)盲區。
GPRS(通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù))是一整套基于全球移動(dòng)通信系統GSM的包模式通信服務(wù)，GPRS用戶(hù)以一種低成本有效利用GSM網(wǎng)絡(luò )的非接入方式的通信，具備以下特性：
·間歇的非周期性發(fā)送，發(fā)送間隔時(shí)間一般大于傳輸時(shí)延
·頻繁傳送低容量數據
·傳送高容量數據不頻繁
GPRS通信中有兩種服務(wù)方式，一種為點(diǎn)到點(diǎn)的服務(wù)方式PTP，一種是點(diǎn)到多點(diǎn)的服務(wù)方式PTM。

1 ZigBee簡(jiǎn)介
ZigBee是英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦公司于2002年10月共同提出的一種新的短距離低速率無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，ZigBee由IEEE 802．15．4小組和ZigBee聯(lián)盟兩個(gè)組織制訂，ZigBee的意思是模仿蜜蜂的ZigZag通訊。ZigBee的通信協(xié)議分
為六層，其中網(wǎng)絡(luò )層和應用層由ZigBee聯(lián)盟制訂，數據鏈路層(包括LLC和MAC)和物理層由802．15．4小組制訂。ZigBee的連接時(shí)延一般在大約15ms到30ms之間，使用的工作頻段分別為2．4G(全球通用)、868MHz(歐洲)和915MHz(美國)，均為免執照頻段。
ZigBee的網(wǎng)絡(luò )設備主要包括網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器、全功能設備和精簡(jiǎn)功能設備三類(lèi)。其中，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器最復雜，其功能是發(fā)送網(wǎng)絡(luò )信標、建立網(wǎng)絡(luò )、管理節點(diǎn)、尋找一對節點(diǎn)間的路由和接收信息。全功能設備(FFD)擔任網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者形成網(wǎng)絡(luò )，然后讓其他的精簡(jiǎn)功能裝置(RFD)聯(lián)結，可提供雙向傳輸，具備全部IEEE802．15．4的功能和特征，閑時(shí)起到網(wǎng)絡(luò )路由器的功能，也可以做終端設備。精簡(jiǎn)功能設備只能傳送信息給FFD和從FFD接收信息，在網(wǎng)絡(luò )中常用作終端設備，成本較低，一般由簡(jiǎn)單的8位處理器和小協(xié)議棧構成。

2 融合GPRS技術(shù)的ZigBee應用
由于ZigBee網(wǎng)絡(luò )的有效通訊范圍一般為10～300m，對于空間上相對分布比較分散的單位或者距離較遠的單位之間，各個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)內或網(wǎng)間控制數據的傳送往往需要非常遠的距離，有可能超過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )通訊的有效距離。而由ZigBee技術(shù)構成的局域網(wǎng)本身也存在聯(lián)網(wǎng)的需要。而空間距離非常大的廣域網(wǎng)的運行和維護如果采用數傳電臺等用戶(hù)系統，不但運行和維護成本較高，所需要的無(wú)線(xiàn)電頻段可能還需要申請和付費。而采用GPRS這種成熟的第三方傳輸服務(wù)就可以節省大量的運行和維護費用，目前采用GPRS傳送數據每k字節成本不到一分錢(qián)，相對來(lái)說(shuō)非常經(jīng)濟。

3 GPRS-ZigBee混合系統的整體設計
3．1 GPRS-ZigBee系統簡(jiǎn)介
GPRS-ZigBee是由多個(gè)ZigBee節點(diǎn)構成，每個(gè)ZigBee節點(diǎn)都可以通過(guò)CAN總線(xiàn)和現場(chǎng)工作單元連接，可以進(jìn)行控制數據的采集、計算和通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò )設備根據拓撲結構可以分為三類(lèi)：網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器、網(wǎng)絡(luò )路由器和網(wǎng)絡(luò )終端。網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器功能最強也最復雜，網(wǎng)絡(luò )路由器一般為
FFD，網(wǎng)絡(luò )終端可以是精簡(jiǎn)功能設備。簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò )可以由網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器和精簡(jiǎn)功能設備構成，形成星形結構(STAR)，比較復雜的網(wǎng)絡(luò )可以有中間層FFD構成ZigBee網(wǎng)內路由節點(diǎn)，形成樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )(TREE)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )(Mesh)。本文的GPRS-ZigBee混合系統的網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器配備GPRS通訊模塊，可以實(shí)現GPRS-ZigBee系統問(wèn)的遠程互連或者和其他計算機系統的遠程互連。