基于ZIGBEE技術的校園一卡通無線通信系統

文章出處：http://www.katarog.com 作者： 人氣： 發表時間：2011年09月08日

    對于校園一卡通系統，往往需要相互間的通信，以交換數據和控制指令。目前采用的聯網方式多是有線連接，聯網方式設備仍然使用RS485/RS422 網絡；少數設備內置TCP/IP 通訊模塊，使用五類線聯網。隨著無線網絡通信技術的發展，在一些不便于或需要消除有線連接的場合，無線通信技術便有了它的用武之地。

    一、Zigbee 無線技術及應用

    （一）主要技術

    ZigBee 是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，它是一種介于無線標記和藍牙之間的無線技術方案。ZigBee 的基礎是IEEE 802.15.4，它規定了ZigBee 的物理層和媒體接入控制層。ZigBee 的工作頻段分別為868 MHz、915 MHz、2.4GHz 三個頻段，其中頻段868 MHz 定義了1 個頻道：頻段915 MHz 定義了 10 個頻道；頻段2.4 GHz 定義了16 個頻道。ZigBee 網絡層協議由ZigBee聯盟制定，其設備可以構造成星型網絡或點對點的網絡，連接地址分為16 位短地址和64 位長地址。因而具有較大網絡容量。它的應用層可根據用戶的需要進行開發利用。其ZigBee 協議棧結構如圖l 所示。

    （二）Zigbee 的主要特點：

    通信的可靠性

    Zigbee 采用了CSMA-CA 的碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突，有明晰的信道檢測；

    網絡的可靠性

    zigbee 的自組織功能：無需人工干預，網絡節點能夠感知其他節點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網絡，節點位置發送變動或者節點發生故障等等，無需人工干預，網絡都能夠自我修復，并對網絡拓撲結構進行相應地調整，保證整個系統仍然能正常的工作。
    多點傳輸：單點對多點傳送數據，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254 個子節點；同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000 個節點。
    低功耗：在低耗電待機模式下，2 節5 號干電池可支持1 個節點工作6~24 個月，甚至更長。
    低成本：通過大幅簡化協議（不到藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，而且Zigbee 免協議專利費。
    低速率：Zigbee 工作在20~250 kbps 的較低速率，分別提供250 kbps（2.4 GHz）、40 kbps（915 MHz）和20 kbps（868 MHz）的原始數據吞吐率，滿足低速率傳輸數據的應用需求。

    （三）ZigBee 技術抗干擾特性分析

    ZigBee 技術的抗干擾特性主要是指抗同頻干擾，即來自共用相同頻段的其他技術的干擾。對于同頻干擾的抵御能力是極為重要的，因為它直接影響到設備的性能。圖2 中可見在低信噪比的環境下各類無線技術中ZigBee 的誤碼率在信噪比為4dB 的情況下可達10 -9 ，要達到同樣誤碼率，Wi-Fi 要達10dB，藍牙高達16dB，Zigbee 的抗干擾性能明顯高于Wi-Fi 和藍牙技術。ZigBee在2.4GHz 頻段內具備強抗干擾能力就意味著能夠可靠地與校園內的Wi-Fi、藍牙、WirelessUSB 以及無繩電話甚至食堂內的微波爐共存。

    二、校園一卡通的聯網方式的選擇

    校園一卡通系統從上世紀90 年代初開始至今已經有20 年的發展歷史了，但其聯網方式發展卻停步不前，聯網方式仍然在使用RS485 通訊，它的聯網數量在128 臺以內，最大通訊距離只有1200 米，通訊速率在9.6-19.2kbps 左右，半雙工模式。聯網方式的滯后，造成了校園一卡通的聯網通訊瓶頸，校園一卡通POS機只能設置在有限的場所和場地，其他一些商鋪和小型零售店還是無法聯接，而使用Zigbee 無線通訊的校園一卡通則：施工周期短，無需布線施工，節省費用，實施迅速，不影響室內外裝修美觀。

    傳輸速度快，最高工作速率可達250Kbp/s，10 倍于普通485通訊速度。
    強大的可擴展性，隨時擴大系統的覆蓋面，由于使用無線傳輸方式，用戶環境進行擴容的時候，不需要改造布線的成本支出。
    多點傳輸的能力，單點對多點傳送數據，其聯網設備數量遠超過普通RS485 的設備聯網數量。
    環保健康，高靈敏度，低功耗，無線收發器待機狀態僅為1uA，可滿足低功耗設備的要求。
    抗干擾，相同的環境下zigbee 的抗干擾性能明顯高于Wi-Fi和藍牙技術。
    靈活的組網，校園一卡通同一系統內仍支持RS485 通訊、TCP/IP 通訊。

    結語

    Zigbee 無線技術是當今無線技術發展的一個熱門，國內使用Zigbee 無線通訊的校園一卡通還沒有得到廣泛的應用，但隨著人們對信息化要求的不斷提高和有線網絡本身的缺點，使用無線通訊的校園一卡通最終要融入到我們的生活中來。無線網絡雖然具有傳統網絡無法比擬的優越性，但從實際來看無線網絡并不能完全取代有線網絡，而兩者因地制宜的結合使用卻能使整個網絡的性能、品質最優。現在這種混合組網的方式已出現在國內外的一些高校和企業中，相信不久的將來它將成為校園一卡通的主要組網形式。

    參考文獻：
    [1]鄧磊,王子敬,范玲俐.基于ZigBee 無線網絡的溫度采集系統設計[J].電子元器件應用,2010 年,02 期
    [2] 深圳摩爾實驗室.Zigbee 為什么能抗干擾？[EB/OL].http://blog.c114.net/html/04/294204-35030.html
    [3]瞿雷.一種新的無線網絡通信技術Zigbee[J].單片機與嵌入式系統應用,2006 年,01 期

    作者簡介：武漢大學計算機學院 李進