Zigbee模塊ZM32最典型的三個應用場景

在ZM32系列ZigBee模塊的應用案例中，我們提煉出最典型的三種應用場景：

l  多級路由級聯(lián)：例如在智能路燈行業(yè)使用ZigBee進行組網(wǎng)時，多采用路由級聯(lián)的方式延展通信距離，使得整個無線網(wǎng)絡能夠覆蓋幾公里；

l  復雜的網(wǎng)絡拓撲：在某些行業(yè)中網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)復雜，例如商用照明行業(yè)，要求ZigBee節(jié)點能在最快的時間內(nèi)完成組網(wǎng)，并且保證節(jié)點具有一定的穩(wěn)定性及可靠性（網(wǎng)絡自愈能力）；

l  并發(fā)上報：在大規(guī)模的網(wǎng)絡中，例如智慧工廠行業(yè)要求多點數(shù)據(jù)采集，所有節(jié)點并發(fā)的概率和數(shù)量會增加，對網(wǎng)絡的處理能力提出更大的挑戰(zhàn)；

針對上面三種情況，結(jié)合模塊特點進行詳細分析。

一、多級路由級聯(lián)——智能路燈

物聯(lián)網(wǎng)時代到來，城市交通自動化智能化要求全面升級，路燈節(jié)點間距20-200米不等，每個控制系統(tǒng)網(wǎng)絡中，網(wǎng)關下屬路燈數(shù)控制在1000盞以內(nèi)，現(xiàn)場施工要求操作簡單方便。

圖1  路燈實景圖

項目方案：使用工控板作為路燈系統(tǒng)集中控制器，廣域網(wǎng)絡通過4G技術（網(wǎng)關設備）與遠程服務器中心建立連接，局域網(wǎng)絡使用ZigBee無線網(wǎng)絡對現(xiàn)場燈光進行控制，同時接收路燈節(jié)點返回的路燈狀態(tài)數(shù)據(jù)。

l  路燈節(jié)點：每個路燈上有一個ZM32系列ZigBee模塊，模塊既做節(jié)點，也是路由，在一定區(qū)域內(nèi)組建一個通信網(wǎng)絡；

l  網(wǎng)關控制器：網(wǎng)關控制器可直接采用ZLG致遠電子工控主機，用于邊緣計算，對路燈節(jié)點進行控制和數(shù)據(jù)處理；

l  數(shù)據(jù)傳輸終端：由于網(wǎng)關控制器分布在各個區(qū)域，和服務器主機之間通常距離較遠，所有的路燈數(shù)據(jù)又需要統(tǒng)一管理，故采用4G DTU的方式，作為搭建局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)之間的橋梁

圖2  項目方案圖

每個路燈采節(jié)點用ZM32模塊來控制，ZM32模塊可支持多級路由級聯(lián)組成一個ZigBee網(wǎng)絡，并對路燈節(jié)點數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)傳輸。我們知道，ZigBee 通信效率會隨著路由級數(shù)的增加而下降，所以路由器必須按需布局。那么，ZM32模塊可支持多少級路由布局呢？多級路由級聯(lián)之后的組網(wǎng)時間和通信性能如何呢？ZLG致遠電子工程師對ZM32模塊進行了多級路由級聯(lián)測試。

在室內(nèi)環(huán)境下，進行通信級聯(lián)測試，主要記錄在級聯(lián)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)下的組網(wǎng)時間以及協(xié)調(diào)器和位于網(wǎng)絡最深層次的路由設備間的通信性能，以驗證模塊的多跳功能，測試結(jié)果如下表。

表1  測試結(jié)果

說明：本次測試主要目的是為了驗證多跳，而辦公室空間有限，因此將遠程信號強度調(diào)整到臨界狀態(tài)，使得每個模塊依次傳輸，確保級聯(lián)效果。實際使用時，可以通過安裝位置的變化來保證信號強度，避免出現(xiàn)臨界狀態(tài)。

實際空間環(huán)境下，當RSSI達到-92dBm時，已經(jīng)接近接收狀態(tài)的臨界值，此時通信穩(wěn)定性不高，十分容易受到干擾。當受到干擾導致通信中斷，會增加丟包率和組網(wǎng)時長。因此，目前的測試結(jié)果可能存在一定的誤差。詳細的測試方案可咨詢ZLG工程師。

二、復雜的網(wǎng)絡拓撲——商用照明

商用照明本身就是現(xiàn)成的互聯(lián)網(wǎng)絡，再將Mesh網(wǎng)絡引入其中，就能為商業(yè)和工業(yè)設施提供一種提高運營效率并支持全新商業(yè)機會的創(chuàng)新方式。零售商將能夠提供店內(nèi)導航和定制化促銷；醫(yī)院將能夠?qū)颊吆驮O備進行追蹤；工廠能夠進行自動化監(jiān)控和維護；企業(yè)能夠智能地控制照明和室溫，并對占用率和安全性進行監(jiān)控。Mesh網(wǎng)絡憑借無與倫比的普遍性、可靠性和互通性，將智能照明變身為無線連接平臺。

圖3  商用照明場景圖

ZM32模塊使用Mesh組網(wǎng)方式進行組網(wǎng)，而無線Mesh網(wǎng)絡的特點主要是超遠距離傳輸能力（網(wǎng)絡覆蓋范圍廣）和自修復能力。下圖為Mesh網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)圖。

圖4  Mesh 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

那么，在復雜的Mesh網(wǎng)絡中，ZM32系列ZigBee模塊的穩(wěn)定性如何呢？同樣，ZLG工程師對ZM32模塊進行了穩(wěn)定性測試，在進行大規(guī)模自組網(wǎng)時，并在高強度的數(shù)據(jù)傳輸下進行連續(xù)長時間測試，以驗證ZM32模塊的穩(wěn)定性和可靠性，通過模擬網(wǎng)絡內(nèi)某關鍵節(jié)點永久損壞，測試網(wǎng)絡自愈時間。測試主要分終端設備組網(wǎng)測試和全路由組網(wǎng)測試，詳細的測試方案可咨詢ZLG工程師。測試結(jié)論如下：

?  終端組網(wǎng)測試：

l245臺設備能在1min內(nèi)成功并發(fā)入網(wǎng)（測試共240臺終端+5臺路由）；

l關鍵節(jié)點斷電，網(wǎng)絡自愈時間約7min（如果網(wǎng)絡內(nèi)數(shù)量較少，自愈時間將更短）；

l廣播控制能及時響應；

l休眠與非休眠狀態(tài)下，能夠穩(wěn)定定時上報。

以上是采用自組網(wǎng)方式的組網(wǎng)時間。若采用配置組網(wǎng)方式，可以縮短組網(wǎng)時間。

?  全路由組網(wǎng)測試：

l  101臺設備組成的網(wǎng)絡能在32min內(nèi)成功并發(fā)入網(wǎng)（測試共101臺路由設備）；

l  101臺設備組成的網(wǎng)絡中，關鍵節(jié)點斷電，網(wǎng)絡自愈時間約 15s（如果網(wǎng)絡內(nèi)數(shù)量較少，網(wǎng)絡自愈時間將更短）；

l  廣播控制均能及時響應；

l  101臺路由非休眠狀態(tài)下，能夠穩(wěn)定定時上報。

以上是采用自組網(wǎng)方式的組網(wǎng)時間。若采用配置組網(wǎng)方式，可以縮短組網(wǎng)時間。

二、并發(fā)上報——智慧工廠

物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展加速了工業(yè)4.0的轉(zhuǎn)型升級，一系列產(chǎn)業(yè)已開始向信息化管理轉(zhuǎn)變，傳統(tǒng)工廠到智慧工廠的變革必然會成為未來世界制造業(yè)中的一波“浪潮”，傳統(tǒng)工廠快速實現(xiàn)角色轉(zhuǎn)換的方法是實現(xiàn)設備間的互聯(lián)互通。

圖5  智慧工廠場景圖

以中國十大支柱產(chǎn)業(yè)之一的紡織行業(yè)舉例，目前織機運行自動監(jiān)控一般采用單片機監(jiān)控系統(tǒng)或基于RS-485總線的單主機集散監(jiān)控系統(tǒng)，也有部分織機采用CAN總線的監(jiān)控系統(tǒng)。但是這些織機運行監(jiān)控系統(tǒng)存在成本高，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜抗干擾性較差以及系統(tǒng)維護困難等缺點。

與RS-485總線及CAN總線相比，ZigBee技術除通信距離較短外，無論是在實時性、抗干擾和可靠性還是在系統(tǒng)成本和擴展性方面都具有明顯的優(yōu)勢。同時，在系統(tǒng)布線方面，由于ZigBee采用無線方式，可解決布線復雜的問題。

圖6  ZigBee無線方案

但是，在智慧工廠這種大規(guī)模的網(wǎng)絡中，所有節(jié)點并發(fā)的概率和數(shù)量會增加，對網(wǎng)絡的處理能力提出更大的挑戰(zhàn)。所以，ZLG研發(fā)工程師對ZM32進行了并發(fā)測試，測試ZM32的并發(fā)處理能力。測試主要分全終端并發(fā)上報和全路由并發(fā)上報，詳細的測試方案可咨詢ZLG工程師。測試結(jié)論如下：

?  全終端并發(fā)上報：

l  最大并發(fā)數(shù)量是62臺，上報時間約3.5s；

l  當發(fā)送字節(jié)數(shù)超過射頻單幀的最大負載（74字節(jié)），并發(fā)數(shù)量最大支持20臺，上報時間約3.5s。

以上測試串口端僅發(fā)送一次，若用戶增加重發(fā)，并發(fā)數(shù)量會提升。

?  全路由并發(fā)上報：

l  全路由的并發(fā)上報測試中，發(fā)送字節(jié)數(shù)小于射頻單幀的最大負載（74字節(jié)），最大并發(fā)數(shù)量約是30臺，上報時間約3.5s。

以上測試串口端僅發(fā)送一次，若用戶增加重發(fā)，并發(fā)數(shù)量會提升。