ZigBee技術及其在礦山中的應用
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近年來，隨著網絡和通信技術的發展，人們對無線通信的要求越來越高，短程、低速、廉價的“ZigBee”無線網絡技術正逐漸成為關注的焦點。ZigBee技術[1]是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術或無線網絡技術，主要適合于承載數據流量較小的業務，可嵌入各種設備中，同時支持地理定位功能。相對于現有的各種無線通信技術，ZigBee技術是最低功耗和成本的技術,也是目前嵌入式應用的一大熱點。
目前，國內的煤炭生產安全事故不斷發生，特別是瓦斯爆炸事故接連發生，給人民生命財產帶來了巨大損失。面對現實情況，不斷加強災害預防、事故救助等措施將事故帶來的損失降至最低，已經成為當務之急。因此，實現井下人員的定位和各種安全生產要素以及井下環境（如瓦斯、溫度、濕度等環境指標）的無人自動采集尤為重要。由于礦山井下環境復雜，對功耗、抗干擾性等方面有較嚴格的要求，因此可以選擇ZigBee技術的無線通訊網絡來實現井下環境監測和人員定位。目前許多公司對于ZigBee技術應用都有一定的研究[2]。
2. ZigBee技術
ZigBee是基于IEEE 802. 15. 4的無線通信協議,它是一種短距離、低功耗協議,專用于小型設備如溫度調節裝置、照明控制器、鎮流器、環境檢測傳感器與醫療設備等。一個基于ZigBee的無線個域網(WPAN)能持高達254個節點,外加一個全功能器件,即實現雙向通訊。
ZigBee技術的較低數據速率以及較小通信范圍的特點決定ZigBee技術適于承載數據量較小的業務。
2．1 ZigBee 聯盟
ZigBee 技術的物理層和鏈路層主要采用IEE802.15.4標準，而網絡層、安全協議、應用文檔以及市場推廣由ZigBee 聯盟[3]負責。ZigBee 聯盟成立立于2002年8月, 由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司及荷蘭飛利浦半導體公司組成, 如今已吸引了上百家芯片公司、無線設備公司和開發商的加入。
2．2 ZigBee協議棧
ZigBee 協議棧[4]采用分層結構, 包括: 物理層(PHY Layer)、媒體接入控制層(MAC Layer)、網絡層和應用層。如圖1所示。
網絡層以上協議由ZigBee聯盟制定, IEEE組織負責定制PHY 層和MAC 層標準。應用層包括應用對象終端設備和應用接口層, 且最多只能包含31 個應用對象。應用接口層將主要負責把不同的應用映射到ZigBee 網絡層上, 其中包括: 安全與鑒權、多個業務數據流的會聚、設備發現及業務發現。網絡層主要考慮采用基于ad2hoc 技術的網絡協議, 包含以下功能: 通用的網絡層功能, 拓撲結構的搭建和維護, 命名和關聯業務, 包含了尋址、路由和安全，有自組織、自維護功能, 以最大程度減少消費者的開支和維護成本。媒體接入控制層協議包括以下功能: 設備間無線鏈路的建立、維護和取消; 確認模式的幀傳送與接收; 信道接入控制; 幀校驗; 預留時隙管理; 廣播信息管理。
2．3 ZigBee 技術的特點
ZigBee 技術的具有以下特點[5]：
① 低功耗:由于ZigBee 的傳輸速率低,發射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee設備非常省電。據估算,ZigBee 設備僅靠兩節5 號電池就可以維持長達6 個月到2 年左右的使用時間,其功耗遠遠小于其它無線設備。
② 成本低: ZigBee 模塊的初始成本在6 美元左右,估計很快就能降到115～215 美元,并且ZigBee 協議是免專利費的。低成本對于ZigBee 也是一個關鍵的因素。
③ 時延短:通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短,典型的搜索設備時延為30ms ,休眠激活的時延是15ms ,活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee 技術適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業控制場合等) 應用。
④ 網絡容量大:一個星型結構的ZigBee 網絡最多可以容納254 個從設備和一個主設備,而且網絡組成靈活。
⑤ 可靠:采取了碰撞避免策略,同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙,避開了發送數據的競爭和沖突。MAC 層采用了完全確認的數據傳輸模式,每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。
⑥ 安全:ZigBee 提供了基于循環冗余校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能,支持鑒權和認證,采用了AES - 128 的加密算法,各個應用可以靈活確定其安全屬性。
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