融合GPRS技術的ZigBee無線網絡

摘要：ZigBee是一種低成本低速率低功耗的雙向無線通訊標準，CPRS是基于GSM的一種低成本高效率數據包通訊協議。文章闡述了基于ZigBee和GPRS融合的WAN-LAN通訊系統，并且提出了一種可以實現的硬件結構，該結構結合了CAN總線通訊協議，可以用于工業控制領域，并且具備低成本傳送距離長的優點。
關鍵詞：通用分組無線業務；ZigBee

O 引言
隨著通訊技術的發展，傳統的信息和控制傳送的方式正在被新的技術所取代，有線的非功率傳送的通訊和控制系統由于線路安裝和維護的成本高昂，隨著時間的推移可靠性更加難以保證，而且網絡的組織一經安裝完畢就不可更改，除非再次布網，而無線的通訊和控制傳送網絡由于低成本、低功耗、組網方便正日益得到廣泛的應用。
短距離無線通訊的歷史發展到標準網絡是近十幾年的事，目前正在成為無線通信技術的一大熱點，表1列出了正在使用的幾種主要標準的發展時間表和主要特點：

紅外技術成本較低，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。Wi-Fi傳輸速率高、傳輸距離遠，可以實現小范圍的組網，但是Wi-Fi的802．11的射頻和基帶協議較為復雜，實現成本高、功耗大，實現嵌入式應用困難。Home RF的共享協議主要是側重于PC及其外設，成本較高，抗干擾性較差。藍牙的技術比較復雜，應用系統費用高、功耗高、產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無法勝任的領域，可以補充藍牙技術達不到的低速率長距離的技術盲區。
GPRS(通用分組無線服務)是一整套基于全球移動通信系統GSM的包模式通信服務，GPRS用戶以一種低成本有效利用GSM網絡的非接入方式的通信，具備以下特性：
·間歇的非周期性發送，發送間隔時間一般大于傳輸時延
·頻繁傳送低容量數據
·傳送高容量數據不頻繁
GPRS通信中有兩種服務方式，一種為點到點的服務方式PTP，一種是點到多點的服務方式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，ZigBee由IEEE 802．15．4小組和ZigBee聯盟兩個組織制訂，ZigBee的意思是模仿蜜蜂的ZigZag通訊。ZigBee的通信協議分
為六層，其中網絡層和應用層由ZigBee聯盟制訂，數據鏈路層(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)，均為免執照頻段。
ZigBee的網絡設備主要包括網絡協調器、全功能設備和精簡功能設備三類。其中，網絡協調器最復雜，其功能是發送網絡信標、建立網絡、管理節點、尋找一對節點間的路由和接收信息。全功能設備(FFD)擔任網絡協調者形成網絡，然后讓其他的精簡功能裝置(RFD)聯結，可提供雙向傳輸，具備全部IEEE802．15．4的功能和特征，閑時起到網絡路由器的功能，也可以做終端設備。精簡功能設備只能傳送信息給FFD和從FFD接收信息，在網絡中常用作終端設備，成本較低，一般由簡單的8位處理器和小協議棧構成。

2 融合GPRS技術的ZigBee應用
由于ZigBee網絡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的單位之間，各個ZigBee網絡網內或網間控制數據的傳送往往需要非常遠的距離，有可能超過ZigBee網絡通訊的有效距離。而由ZigBee技術構成的局域網本身也存在聯網的需要。而空間距離非常大的廣域網的運行和維護如果采用數傳電臺等用戶系統，不但運行和維護成本較高，所需要的無線電頻段可能還需要申請和付費。而采用GPRS這種成熟的第三方傳輸服務就可以節省大量的運行和維護費用，目前采用GPRS傳送數據每k字節成本不到一分錢，相對來說非常經濟。

3 GPRS-ZigBee混合系統的整體設計
3．1 GPRS-ZigBee系統簡介
GPRS-ZigBee是由多個ZigBee節點構成，每個ZigBee節點都可以通過CAN總線和現場工作單元連接，可以進行控制數據的采集、計算和通信。ZigBee網絡設備根據拓撲結構可以分為三類：網絡協調器、網絡路由器和網絡終端。網絡協調器功能最強也最復雜，網絡路由器一般為
FFD，網絡終端可以是精簡功能設備。簡單的網絡可以由網絡協調器和精簡功能設備構成，形成星形結構(STAR)，比較復雜的網絡可以有中間層FFD構成ZigBee網內路由節點，形成樹狀網絡(TREE)和網狀網絡(Mesh)。本文的GPRS-ZigBee混合系統的網絡協調器配備GPRS通訊模塊，可以實現GPRS-ZigBee系統問的遠程互連或者和其他計算機系統的遠程互連。