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ZigBee Wireless Networks and Transceivers中文翻译 第二章 网络范例

1第二章ZigBee/IEEE 802.15.4网络范例ZigBee有非常广泛的应用,包括智能家居,库存跟踪和医疗,但不仅限于

此。这一章回顾了多个能增加ZigBee工作效率和降低其成本的应用案例。完整的ZigBee协议,具有可靠的网状网络性能的优点,然而,如果应用比较简单,也可能仅使用IEEE 802.15.4层。

1.1 智能家居

智能家居是ZigBee无线网络的一个主要应用区域,在这一部分中,回顾了多个类似的使用案例。智能家居中典型的数据速率仅有10Kbps。图2.1中展示了在一个典型的居民建筑中,一些可能的ZigBee应用。图2.1中展示的大部分应用在本章中都有简单的介绍。

1.1.1安全系统

一个安全系统可以包括多个传感器,包括运动探测器,玻璃破碎传感器和安全监视器。这些设备需要通过有线或者无线网络与中心安全面板进行通信,基于ZigBee的安全系统简化了安装和更新的过程。尽管ZigBee的数据速率很低,但是它仍然可以无线传输图像,传输质量也可以接受。例如,ZigBee已经被用于无线摄影机系统,用来在家庭门口记录来访者的录像,并将这些录像发送到室内一个专用监视器上。

1.1.2抄表系统

电表需要定期读取数据来获取水电费账单,实现这个目的的一个方法就是在户主的住宅处手动抄表,并将数据录入数据库中。基于ZigBee的自动抄表系统(AMR)能在居民住宅间建立自形成的无线网状网络,这些住宅的电表都连接到电表公司办事处。AMR提供了远程监控居民的用电,气和水情况的机会,并且淘汰了人力每月定期上门抄表的方式。

AMR的作用不仅限于传输每月的水电使用数据,它可以收集更加详细的使用信息,自动检测泄露和设备问题,协助入侵检测。基于ZigBee的无线设备不仅执行监控任务,他们还可以通过和室内的装置通信来管理使用高峰期。例如,当电量使用激增时,可以暂时关闭ZigBee电热水器一段时间来减少高峰期用电

量。

1.1.3灌溉系统

一个基于传感器的灌溉系统可以提高水资源管理的有效性,田野里的传感器能够把不同深度土壤的湿润程度传给灌溉面板。控制器根据土壤的湿度,植物种类,一天中的时间和季节等情况来确定灌溉时间。一个分布式无线传感器网络排除了在田野中建立有线传感器基站的困难,并降低了维修成本。

1.1.4灯控系统

电灯控制是在室内或商业建筑中使用ZigBee的一个典型例子。在传统的电灯安装中,为了实现打开和关闭电灯,必须从电灯到开关扯一根电线。例如,安装一个新壁灯的时候,需要一条新的到开关的电线。如果壁灯和开关都配备了ZigBee设备的话,那么电灯和开关之间将不再需要电线连接。这样,室内的任何开关都可以被指派来打开和关闭一盏特定的电灯。

图2.2是一个墙上开关和电灯间无线连接的例子。在我们的例子中,电灯位于居民建筑的入口处,居住区和走廊。入口处的墙上开关可以打开和关闭4盏灯中的任何一盏,相比之下,居住区墙上的开关仅与位于居住区的电灯进行通信。居住区的电灯彼此挨得很近,因此一个ZigBee设备就能够控制这两个灯。

使用绑定表(见1.12小节)的概念也适应于图2.2的例子。墙上开关1逻辑上与所有的4盏灯相连,开关2只与居住区的电灯绑定,网络的其中一个设备负责存储和更新绑定表。

支持ZigBee的壁灯要比常规的壁灯更贵,但是它的安装费用却较低,因为它不需要额外的电线连接到墙上的开关。使用无线来遥控电灯已经不是一个新的概念,通过确保较长的电池寿命和来自不同经销商的产品的互操作性,ZigBee

提供了在可靠的,低成本的网络中大范围实现这个概念的机会。

除了潜在的成本节省外,在室内,ZigBee电灯还有其他的好处。例如,嵌入到壁灯内的ZigBee设备可以充当路由器,在房间内转发信息,或者,壁灯可以被编程设计为当电视打开时变暗。ZigBee灯控机制同样也已经被用于路灯控制。

1.1.5多区域HV AC系统

多区域控制系统允许单个的供暖,通风和空调(HV AC: heating, ventilation, air-conditioning)单元在室内有各自的温度区域。HV AC分区系统通过控制每个房间的空气流动可以帮助节省能源,避免对不必要的区域进行冷却或加热。图2.3是一个简化的图表,它显示了发动机控制空气湿度和管理不同房间的空气流动。

ZigBee设备根据它们从主HV AC区域控制面板和温度传感器接收到的命令来控制这些发动机。另一种使用多区域控制系统的方法是通过有线而非无线网络的方式来连接区域控制面板,发动机和温度传感器。无线系统有较低的复杂度和额外的布线成本,但是这部分的成本可能会稍微低一些。总共的系统花费和将来的更新复杂度是在这两种应用方法间进行选择的决定因素。

1.2 消费类电子:远程控制

在消费电子中,ZigBee可以被用在远程无线控制,游戏控制器,个人电脑的无线鼠标和许多其他应用中。在这部分中,我们简单的介绍了ZigBee在远程无线控制中的应用。

红外(IR)远程控制器通过红外信号与电视,DVD和其他娱乐设备进行通信,红外遥控的限制就是它们只提供从遥控端到娱乐设备的单方向通信。此外,红外信号不能穿透墙壁和其他物体,因此需要对红外线进行适当操作。然而,射频信号可以很轻易的穿透大部分物体。

在远程控制方面,IEEE 802.15.4是对IR技术的一个合适的替代,因为基于ZigBee的无线通信具有低成本和较长的电池寿命的优点。IEEE 802.15.4能够在

远程控制和娱乐设备间建立双向的通信。例如,歌曲信息和在屏幕编程选项能够被下载到遥控器本身,即使被远程控制的娱乐设备与遥控器不是在同一个房间。

1.3 工业自动化

在工业级水平上,ZigBee网状网络可以用于能源管理,照明控制,过程控制和资产管理。在这部分中,对ZigBee在资产管理和人员跟踪中的应用进行了简单的介绍。

1.3.1资产管理和人员跟踪

被动式射频识别(RFID)标签没有任何电池供电,RFID阅读器可以作为一个电池供电的工具。被动式RFID标签仅能发送一些很简单的信息,例如ID号,但这已经足够许多资产管理应用进行使用了。

主动式RFID,像ZigBee设备,是电池供电的,并且通常比被动式的RFID 要贵。基于ZigBee的主动式RFID与被动式的相比,具有更长的通信距离,能够提供额外的如财产或人员的跟踪服务。第七章中涉及到了ZigBee定位方法的详细信息。图2.4显示了位置估计的基本概念,在一幢典型的有办公室和办公桌的办公大楼中,对人员位置进行跟踪。其中有三个固定的已经知道位置的节点,员工携带的ZigBee移动节点会广播一个信号,由三个固定节点所接收。信号在传播的过程中会变弱,因此,每个固定节点接收到的信号振幅也不一样。有多种算法能够提取三个固定节点接收到的信号强度,并计算出移动节点的大致位置。从移动节点发出的信号在到达固定节点之前被墙壁和房间内的其他物体反射,这降低了位置估算的准确度。第七章中介绍了几种提高位置估算准确度的方法。

1.3.2牲畜跟踪

牲畜很容易得病,因此快速的鉴别出一只得病的牲畜就显得很必要了。快速疾病响应减少了受疾病爆发或其他动物疾病事件影响的生产者的数量。

被动式RFID标签已经被用作牲畜跟踪的一个廉价解决方案,并且能够满足一些其他的应用。被动式RFID通信距离有限,且只能提供预先存储的信息,例如ID号。基于IEEE 802.15.4的主动式标签虽然成本比被动式高,但IEEE 802.15.4标签有更长的通信距离,而且可以提供额外的信息,如动物心跳和动物大致位置等。

1.4 医疗

IEEE 802.15.4在医疗方面的一个应用就是远程监控病人的重要信息。例如,一个病人待在自己家里,而他的医生又很有必要持续监控他的心率和血压。在这样的系统中,可以使用一个IEEE 802.15.4网络从连接到病人身上的不同传感器来收集数据。IEEE 802.15.4标准使用128位先进加密标准(AES)技术在ZigBee 设备和其他网络间安全的传输数据。

图2.5是一个简化的远程监控系统图表。一个病人带着ZigBee设备,该设备与传感器连接,例如血压传感器,它会定期的收集信息。然后这些信息会被发送到一个ZigBee网关,ZigBee网关提供了ZigBee网络与其他网络的连接,如一个因特网协议(IP)网络。然后,病人的信息通过因特网被发送到一台个人电脑,医生或者护士就使用这台电脑来监控病人。通过在家里监控病人,这套系统能够帮助医院更好的照顾病人并且减轻医院过于拥挤的情况。

1.5 其他应用

1.5.1酒店客房访问

基于ZigBee的系统可以替代磁性钥匙卡用来在酒店内访问客人房间。传统的房间访问塑料卡背面有一个磁条,安装在客房门口的卡片阅读器能读出编码到磁条中的信息,以此来判读允许还是拒绝访问房间。为每个们安装这样的阅读器需要在门与门间布线。作为选择,基于ZigBee的房间访问系统包括一个充当钥匙的便携式ZigBee设备和一个在门内开门、锁门的电池供电的ZigBee设备。不像传统方法,基于ZigBee的房间访问系统不需要在每个门都布线,这降低了安装成本。

1.5.2灭火器

灭火器应该每30天检查一次以确保所有的灭火器都充满了而且压强合适。在基于ZigBee的设备监控系统中,每个灭火器上都接有一个传感器来监控它的状态,当需要维修时无线的和协调器进行通信,而不是传统的用人工去进行检测。基于ZigBee的监控系统不仅节省时间和人工成本,如果灭火器不能正常工作时,它还可以通过直接报警来提高消防安全性。

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