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：例如在智能路燈行業使用ZigBee進行組網時，多采用路由級聯的方式延展通信距離，使得整個無線網絡能夠覆蓋幾公里；

l  復雜的網絡拓撲：在某些行業中網絡拓撲結構復雜，例如商用照明行業，要求ZigBee節點能在最快的時間內完成組網，并且保證節點具有一定的穩定性及可靠性（網絡自愈能力）；

l  并發上報：在大規模的網絡中，例如智慧工廠行業要求多點數據采集，所有節點并發的概率和數量會增加，對網絡的處理能力提出更大的挑戰；

針對上面三種情況，結合模塊特點進行詳細分析。

一、多級路由級聯——智能路燈

物聯網時代到來，城市交通自動化智能化要求全面升級，路燈節點間距20-200米不等，每個控制系統網絡中，網關下屬路燈數控制在1000盞以內，現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集中控制器，廣域網絡通過4G技術（網關設備）與遠程服務器中心建立連接，局域網絡使用ZigBee無線網絡對現場燈光進行控制，同時接收路燈節點返回的路燈狀態數據。

l  路燈節點：每個路燈上有一個ZM32系列ZigBee模塊，模塊既做節點，也是路由，在一定區域內組建一個通信網絡；

l  網關控制器：網關控制器可直接采用ZLG致遠電子工控主機，用于邊緣計算，對路燈節點進行控制和數據處理；

l  數據傳輸終端：由于網關控制器分布在各個區域，和服務器主機之間通常距離較遠，所有的路燈數據又需要統一管理，故采用4G DTU的方式，作為搭建局域網和廣域網之間的橋梁

圖2  項目方案圖

每個路燈采節點用ZM32模塊來控制，ZM32模塊可支持多級路由級聯組成一個ZigBee網絡，并對路燈節點數據進行轉發傳輸。我們知道，ZigBee 通信效率會隨著路由級數的增加而下降，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？多級路由級聯之后的組網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測試。

在室內環境下，進行通信級聯測試，主要記錄在級聯網絡結構下的組網時間以及協調器和位于網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，測試結果如下表。

表1  測試結果

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整到臨界狀態，使得每個模塊依次傳輸，確保級聯效果。實際使用時，可以通過安裝位置的變化來保證信號強度，避免出現臨界狀態。

實際空間環境下，當RSSI達到-92dBm時，已經接近接收狀態的臨界值，此時通信穩定性不高，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時長。因此，目前的測試結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、復雜的網絡拓撲——商用照明

商用照明本身就是現成的互聯網絡，再將Mesh網絡引入其中，就能為商業和工業設施提供一種提高運營效率并支持全新商業機會的創新方式。零售商將能夠提供店內導航和定制化促銷；醫院將能夠對患者和設備進行追蹤；工廠能夠進行自動化監控和維護；企業能夠智能地控制照明和室溫，并對占用率和安全性進行監控。Mesh網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組網方式進行組網，而無線Mesh網絡的特點主要是超遠距離傳輸能力（網絡覆蓋范圍廣）和自修復能力。下圖為Mesh網絡拓撲結構圖。

圖4  Mesh 網絡拓撲結構

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

?  終端組網測試：

l245臺設備能在1min內成功并發入網（測試共240臺終端+5臺路由）；

l關鍵節點斷電，網絡自愈時間約7min（如果網絡內數量較少，自愈時間將更短）；

l廣播控制能及時響應；

l休眠與非休眠狀態下，能夠穩定定時上報。

以上是采用自組網方式的組網時間。若采用配置組網方式，可以縮短組網時間。

?  全路由組網測試：

l  101臺設備組成的網絡能在32min內成功并發入網（測試共101臺路由設備）；

l  101臺設備組成的網絡中，關鍵節點斷電，網絡自愈時間約 15s（如果網絡內數量較少，網絡自愈時間將更短）；

l  廣播控制均能及時響應；

l  101臺路由非休眠狀態下，能夠穩定定時上報。

以上是采用自組網方式的組網時間。若采用配置組網方式，可以縮短組網時間。

二、并發上報——智慧工廠

物聯網技術的發展加速了工業4.0的轉型升級，一系列產業已開始向信息化管理轉變，傳統工廠到智慧工廠的變革必然會成為未來世界制造業中的一波“浪潮”，傳統工廠快速實現角色轉換的方法是實現設備間的互聯互通。

圖5  智慧工廠場景圖

以中國十大支柱產業之一的紡織行業舉例，目前織機運行自動監控一般采用單片機監控系統或基于RS-485總線的單主機集散監控系統，也有部分織機采用CAN總線的監控系統。但是這些織機運行監控系統存在成本高，系統結構復雜抗干擾性較差以及系統維護困難等缺點。

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成本和擴展性方面都具有明顯的優勢。同時，在系統布線方面，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模的網絡中，所有節點并發的概率和數量會增加，對網絡的處理能力提出更大的挑戰。所以，ZLG研發工程師對ZM32進行了并發測試，測試ZM32的并發處理能力。測試主要分全終端并發上報和全路由并發上報，詳細的測試方案可咨詢ZLG工程師。測試結論如下：

?  全終端并發上報：

l  最大并發數量是62臺，上報時間約3.5s；

l  當發送字節數超過射頻單幀的最大負載（74字節），并發數量最大支持20臺，上報時間約3.5s。

以上測試串口端僅發送一次，若用戶增加重發，并發數量會提升。

?  全路由并發上報：

l  全路由的并發上報測試中，發送字節數小于射頻單幀的最大負載（74字節），最大并發數量約是30臺，上報時間約3.5s。

以上測試串口端僅發送一次，若用戶增加重發，并發數量會提升。