基于ZIGBEE技術(shù)的校園一卡通無線通信系統(tǒng)

文章出處：http://56733.cn 作者： 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2011年09月08日

    對于校園一卡通系統(tǒng)，往往需要相互間的通信，以交換數(shù)據(jù)和控制指令。目前采用的聯(lián)網(wǎng)方式多是有線連接，聯(lián)網(wǎng)方式設(shè)備仍然使用RS485/RS422 網(wǎng)絡(luò)；少數(shù)設(shè)備內(nèi)置TCP/IP 通訊模塊，使用五類線聯(lián)網(wǎng)。隨著無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)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(shù)便有了它的用武之地。

    一、Zigbee 無線技術(shù)及應(yīng)用

    （一）主要技術(shù)

    ZigBee 是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記和藍(lán)牙之間的無線技術(shù)方案。ZigBee 的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，它規(guī)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(gè)頻段，其中頻段868 MHz 定義了1 個(gè)頻道：頻段915 MHz 定義了 10 個(gè)頻道；頻段2.4 GHz 定義了16 個(gè)頻道。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，其設(shè)備可以構(gòu)造成星型網(wǎng)絡(luò)或點(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，連接地址分為16 位短地址和64 位長地址。因而具有較大網(wǎng)絡(luò)容量。它的應(yīng)用層可根據(jù)用戶的需要進(jìn)行開發(fā)利用。其ZigBee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖l 所示。

    （二）Zigbee 的主要特點(diǎn)：

    通信的可靠性

    Zigbee 采用了CSMA-CA 的碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突，有明晰的信道檢測；

    網(wǎng)絡(luò)的可靠性

    zigbee 的自組織功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)送變動(dòng)或者節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等等，無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常的工作。
    多點(diǎn)傳輸：單點(diǎn)對多點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254 個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000 個(gè)節(jié)點(diǎn)。
    低功耗：在低耗電待機(jī)模式下，2 節(jié)5 號干電池可支持1 個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6~24 個(gè)月，甚至更長。
    低成本：通過大幅簡化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，而且Zigbee 免協(xié)議專利費(fèi)。
    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(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

    （三）ZigBee 技術(shù)抗干擾特性分析

    ZigBee 技術(shù)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(shù)的干擾。對于同頻干擾的抵御能力是極為重要的，因?yàn)樗苯佑绊懙皆O(shè)備的性能。圖2 中可見在低信噪比的環(huán)境下各類無線技術(shù)中ZigBee 的誤碼率在信噪比為4dB 的情況下可達(dá)10 -9 ，要達(dá)到同樣誤碼率，Wi-Fi 要達(dá)10dB，藍(lán)牙高達(dá)16dB，Zigbee 的抗干擾性能明顯高于Wi-Fi 和藍(lán)牙技術(shù)。ZigBee在2.4GHz 頻段內(nèi)具備強(qiáng)抗干擾能力就意味著能夠可靠地與校園內(nèi)的Wi-Fi、藍(lán)牙、WirelessUSB 以及無繩電話甚至食堂內(nèi)的微波爐共存。

    二、校園一卡通的聯(lián)網(wǎng)方式的選擇

    校園一卡通系統(tǒng)從上世紀(jì)90 年代初開始至今已經(jīng)有20 年的發(fā)展歷史了，但其聯(lián)網(wǎng)方式發(fā)展卻停步不前，聯(lián)網(wǎng)方式仍然在使用RS485 通訊，它的聯(lián)網(wǎng)數(shù)量在128 臺以內(nèi)，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(lián)網(wǎng)方式的滯后，造成了校園一卡通的聯(lián)網(wǎng)通訊瓶頸，校園一卡通POS機(jī)只能設(shè)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(lián)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(jié)省費(fèi)用，實(shí)施迅速，不影響室內(nèi)外裝修美觀。

    傳輸速度快，最高工作速率可達(dá)250Kbp/s，10 倍于普通485通訊速度。
    強(qiáng)大的可擴(kuò)展性，隨時(shí)擴(kuò)大系統(tǒng)的覆蓋面，由于使用無線傳輸方式，用戶環(huán)境進(jìn)行擴(kuò)容的時(shí)候，不需要改造布線的成本支出。
    多點(diǎn)傳輸?shù)哪芰?，單點(diǎn)對多點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)，其聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量遠(yuǎn)超過普通RS485 的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)數(shù)量。
    環(huán)保健康，高靈敏度，低功耗，無線收發(fā)器待機(jī)狀態(tài)僅為1uA，可滿足低功耗設(shè)備的要求。
    抗干擾，相同的環(huán)境下zigbee 的抗干擾性能明顯高于Wi-Fi和藍(lán)牙技術(shù)。
    靈活的組網(wǎng)，校園一卡通同一系統(tǒng)內(nèi)仍支持RS485 通訊、TCP/IP 通訊。

    結(jié)語

    Zigbee 無線技術(shù)是當(dāng)今無線技術(shù)發(fā)展的一個(gè)熱門，國內(nèi)使用Zigbee 無線通訊的校園一卡通還沒有得到廣泛的應(yīng)用，但隨著人們對信息化要求的不斷提高和有線網(wǎng)絡(luò)本身的缺點(diǎn)，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(wǎng)絡(luò)雖然具有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)無法比擬的優(yōu)越性，但從實(shí)際來看無線網(wǎng)絡(luò)并不能完全取代有線網(wǎng)絡(luò)，而兩者因地制宜的結(jié)合使用卻能使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能、品質(zhì)最優(yōu)?，F(xiàn)在這種混合組網(wǎng)的方式已出現(xiàn)在國內(nèi)外的一些高校和企業(yè)中，相信不久的將來它將成為校園一卡通的主要組網(wǎng)形式。

    參考文獻(xiàn)：
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    作者簡介：武漢大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 李進(jìn)