融合GPRS技術(shù)的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)

摘要：ZigBee是一種低成本低速率低功耗的雙向無線通訊標(biāo)準(zhǔn)，CPRS是基于GSM的一種低成本高效率數(shù)據(jù)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(tǒng)，并且提出了一種可以實(shí)現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)結(jié)合了CAN總線通訊協(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的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：通用分組無線業(yè)務(wù)；ZigBee

O 引言
隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的信息和控制傳送的方式正在被新的技術(shù)所取代，有線的非功率傳送的通訊和控制系統(tǒng)由于線路安裝和維護(hù)的成本高昂，隨著時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)，而無線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(yīng)用。
短距離無線通訊的歷史發(fā)展到標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)是近十幾年的事，目前正在成為無線通信技術(shù)的一大熱點(diǎn)，表1列出了正在使用的幾種主要標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展時間表和主要特點(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，無法組網(wǎng)。Wi-Fi傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)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(fù)雜，實(shí)現(xiàn)成本高、功耗大，實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用困難。Home RF的共享協(xié)議主要是側(cè)重于PC及其外設(shè)，成本較高，抗干擾性較差。藍(lán)牙的技術(shù)比較復(fù)雜，應(yīng)用系統(tǒng)費(fèi)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無法勝任的領(lǐng)域，可以補(bǔ)充藍(lán)牙技術(shù)達(dá)不到的低速率長距離的技術(shù)盲區(qū)。
GPRS(通用分組無線服務(wù))是一整套基于全球移動通信系統(tǒng)GSM的包模式通信服務(wù)，GPRS用戶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)送間隔時間一般大于傳輸時延
·頻繁傳送低容量數(shù)據(jù)
·傳送高容量數(shù)據(jù)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線通信技術(shù)，ZigBee由IEEE 802．15．4小組和ZigBee聯(lián)盟兩個組織制訂，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(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟制訂，數(shù)據(jù)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(zhí)照頻段。
ZigBee的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、全功能設(shè)備和精簡功能設(shè)備三類。其中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器最復(fù)雜，其功能是發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立網(wǎng)絡(luò)、管理節(jié)點(diǎn)、尋找一對節(jié)點(diǎn)間的路由和接收信息。全功能設(shè)備(FFD)擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者形成網(wǎng)絡(luò)，然后讓其他的精簡功能裝置(RFD)聯(lián)結(jié)，可提供雙向傳輸，具備全部IEEE802．15．4的功能和特征，閑時起到網(wǎng)絡(luò)路由器的功能，也可以做終端設(shè)備。精簡功能設(shè)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(shè)備，成本較低，一般由簡單的8位處理器和小協(xié)議棧構(gòu)成。

2 融合GPRS技術(shù)的ZigBee應(yīng)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(yuǎn)的單位之間，各個ZigBee網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)內(nèi)或網(wǎng)間控制數(shù)據(jù)的傳送往往需要非常遠(yuǎn)的距離，有可能超過ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊的有效距離。而由ZigBee技術(shù)構(gòu)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(yùn)行和維護(hù)如果采用數(shù)傳電臺等用戶系統(tǒng)，不但運(yùn)行和維護(hù)成本較高，所需要的無線電頻段可能還需要申請和付費(fèi)。而采用GPRS這種成熟的第三方傳輸服務(wù)就可以節(jié)省大量的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，目前采用GPRS傳送數(shù)據(jù)每k字節(jié)成本不到一分錢，相對來說非常經(jīng)濟(jì)。

3 GPRS-ZigBee混合系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
3．1 GPRS-ZigBee系統(tǒng)簡介
GPRS-ZigBee是由多個ZigBee節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個ZigBee節(jié)點(diǎn)都可以通過CAN總線和現(xiàn)場工作單元連接，可以進(jìn)行控制數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算和通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為三類：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)路由器和網(wǎng)絡(luò)終端。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功能最強(qiáng)也最復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)路由器一般為
FFD，網(wǎng)絡(luò)終端可以是精簡功能設(shè)備。簡單的網(wǎng)絡(luò)可以由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和精簡功能設(shè)備構(gòu)成，形成星形結(jié)構(gòu)(STAR)，比較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)可以有中間層FFD構(gòu)成ZigBee網(wǎng)內(nèi)路由節(jié)點(diǎn)，形成樹狀網(wǎng)絡(luò)(TREE)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Mesh)。本文的GPRS-ZigBee混合系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器配備GPRS通訊模塊，可以實(shí)現(xiàn)GPRS-ZigBee系統(tǒng)問的遠(yuǎn)程互連或者和其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程互連。