ZigBee技術(shù)及其在礦山中的應(yīng)用
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近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，人們對無線通信的要求越來越高，短程、低速、廉價的“ZigBee”無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正逐漸成為關(guān)注的焦點(diǎn)。ZigBee技術(shù)[1]是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，可嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)是最低功耗和成本的技術(shù),也是目前嵌入式應(yīng)用的一大熱點(diǎn)。
目前，國內(nèi)的煤炭生產(chǎn)安全事故不斷發(fā)生，特別是瓦斯爆炸事故接連發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)帶來了巨大損失。面對現(xiàn)實情況，不斷加強(qiáng)災(zāi)害預(yù)防、事故救助等措施將事故帶來的損失降至最低，已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。因此，實現(xiàn)井下人員的定位和各種安全生產(chǎn)要素以及井下環(huán)境（如瓦斯、溫度、濕度等環(huán)境指標(biāo)）的無人自動采集尤為重要。由于礦山井下環(huán)境復(fù)雜，對功耗、抗干擾性等方面有較嚴(yán)格的要求，因此可以選擇ZigBee技術(shù)的無線通訊網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)井下環(huán)境監(jiān)測和人員定位。目前許多公司對于ZigBee技術(shù)應(yīng)用都有一定的研究[2]。
2. ZigBee技術(shù)
ZigBee是基于IEEE 802. 15. 4的無線通信協(xié)議,它是一種短距離、低功耗協(xié)議,專用于小型設(shè)備如溫度調(diào)節(jié)裝置、照明控制器、鎮(zhèn)流器、環(huán)境檢測傳感器與醫(yī)療設(shè)備等。一個基于ZigBee的無線個域網(wǎng)(WPAN)能持高達(dá)254個節(jié)點(diǎn),外加一個全功能器件,即實現(xiàn)雙向通訊。
ZigBee技術(shù)的較低數(shù)據(jù)速率以及較小通信范圍的特點(diǎn)決定ZigBee技術(shù)適于承載數(shù)據(jù)量較小的業(yè)務(wù)。
2．1 ZigBee 聯(lián)盟
ZigBee 技術(shù)的物理層和鏈路層主要采用IEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，而網(wǎng)絡(luò)層、安全協(xié)議、應(yīng)用文檔以及市場推廣由ZigBee 聯(lián)盟[3]負(fù)責(zé)。ZigBee 聯(lián)盟成立立于2002年8月, 由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成, 如今已吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司和開發(fā)商的加入。
2．2 ZigBee協(xié)議棧
ZigBee 協(xié)議棧[4]采用分層結(jié)構(gòu), 包括: 物理層(PHY Layer)、媒體接入控制層(MAC Layer)、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。如圖1所示。
網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定, IEEE組織負(fù)責(zé)定制PHY 層和MAC 層標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用層包括應(yīng)用對象終端設(shè)備和應(yīng)用接口層, 且最多只能包含31 個應(yīng)用對象。應(yīng)用接口層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層上, 其中包括: 安全與鑒權(quán)、多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)及業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)層主要考慮采用基于ad2hoc 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議, 包含以下功能: 通用的網(wǎng)絡(luò)層功能, 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建和維護(hù), 命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù), 包含了尋址、路由和安全，有自組織、自維護(hù)功能, 以最大程度減少消費(fèi)者的開支和維護(hù)成本。媒體接入控制層協(xié)議包括以下功能: 設(shè)備間無線鏈路的建立、維護(hù)和取消; 確認(rèn)模式的幀傳送與接收; 信道接入控制; 幀校驗; 預(yù)留時隙管理; 廣播信息管理。
2．3 ZigBee 技術(shù)的特點(diǎn)
ZigBee 技術(shù)的具有以下特點(diǎn)[5]：
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)備僅靠兩節(jié)5 號電池就可以維持長達(dá)6 個月到2 年左右的使用時間,其功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它無線設(shè)備。
② 成本低: ZigBee 模塊的初始成本在6 美元左右,估計很快就能降到115～215 美元,并且ZigBee 協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對于ZigBee 也是一個關(guān)鍵的因素。
③ 時延短:通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短,典型的搜索設(shè)備時延為30ms ,休眠激活的時延是15ms ,活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee 技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等) 應(yīng)用。
④ 網(wǎng)絡(luò)容量大:一個星型結(jié)構(gòu)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254 個從設(shè)備和一個主設(shè)備,而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。
⑤ 可靠:采取了碰撞避免策略,同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙,避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC 層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式,每個發(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(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,各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。
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