浅谈ZigBee技术在高速公路灯控系统中的运用

一、应用需求

当前巨大的能源消耗和由此引起的能源短缺、价格上涨等已使得节约能源成为一项十分迫切的任务。国家“十一五计划”提出“要把节约资源作为基本国策”，首次提出十一五期间单位国内生产总值能源消耗降低20％左右的目标。原建设部在《“十一五”城市绿色照明工程规划纲要》中明确提出，2006～2010年累计节电要达到25％。因此，构造了智能灯控系统，该系统具有节能效果好、智能化程度高、故障自动检测、照明方案多样等特点。在无线控制系统的方式中，这几年流行起来的ZigBee无线技术又是最好的选择。而MaxStream公司的XBee系列模块，是目前行业内ZigBee技术实现的最好的OEM模块之一。能帮助用户快速实现ZigBee技术的应用。

二、ZigBee技术简介

ZigBee作为一种个人网络的短程无线通信协议，已经日益为大家所熟知，它最大的特点就是低功耗、可组网，特别是带有路由的可组网功能，可以使ZigBee覆盖的通讯面积无限扩展。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

星型网络结构特点：支持点对点、点对多点通信；中心节点为ZIGBEE协调器，终端节点为ZIGBEE终端设备；所有数据经过中心节点；适合圆形分散、距离较近的传感器联网。

MESH网状网络结构特点：系统采用多跳式路由通信；网络容量很大；可以跨越很大的物理空间，适合距离较远比较分散的结构。MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络的所有实体只有要通信范围之内，都可以互相通信，如果没有直接通路，还可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；除此之外，网络还具备自组织、自愈功能。

三、ZigBee技术特点

ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点：

（1）低功耗：由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，这是其它无线设备望尘莫及的。（2）成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5—2.5美元，并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。（3）时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用。（4）网络容量大：一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活。（5）可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。（6）安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

四、基于ZigBee技术的无线灯控系统解决方案

新型的太阳能信号灯控制系统集结了交通管理、交通控制、绿色能源等全新的理念与技术，采用太阳能代替传统的电能供电，通过交通灯柱顶端的太阳能电池板来进行聚集和储存太阳能，然后通过ZigBee主控制器向同一交通岗的各组交通灯发射控制信号，达到无线同步控制运行的效果。

这种无线灯控系统的具有如下优点：无须挖路布设控制线路，各设备之间实现无线自动组网连接，既降低了系统安装成本，更重要的是避免了传统安装方式对交通干扰所带来的经济损失。随时可以施工。而且，也避免了由于城市快速发展，道路拓展等变化对原有预埋管线的干扰。由于系统没有地面控制箱和控制线路，避免了恶意破坏，大大减少了维护成本。由于系统没有地面控制箱和控制线路，避免了恶意破坏；而且，整个控制系统的各个模块具有高集成度，高可靠性和低功耗，低成本，体积小等优点，维护保养十分方便，只需更换相应节点即可，避免了传统控制线路本身带来许多麻烦，从而大大减少了设备购置成本，建设安装成本和系统维护成本。

另外，从ZigBee技术角度来说，卓越的物理性能，整个网络所使用的无线频率是国际通用的免费频段（2.4 ~ 2.48Ghz ISM）， 传输的方式是抗干扰能力强的直序扩频方式（DSSS），特别适合在干扰较大的环境中使用。网络的自组织、自愈能力强，ZigBee的自组织功能，无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；ZigBee自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。

五、MaxStream的基于ZigBee技术的XBee系列模块

XBee OEM RF模块是与ZigBee/IEEE 802.15.4 兼容的解决方案，可以满足低成本低功耗无线传感网络的特殊需求。该模块易于使用，极低的功耗，以及提供设备间关键数据的可靠传输。而且它小巧的外形条件有效的节省了板卡空间。

XBee / XBee-pro模块工作在ISM 2.4 GHz频率波段，而且它们是引脚兼容可互换的。该模块在美国，加拿大，澳大利亚，以色列以及欧洲广泛使用。建立RF通信不需要任何配置，该模块的默认配置支持广泛的数据系统应用。也可以使用简单AT命令进行高级配置。也提供API方式来实现对模块的自动控制和通讯。。

另外，方便用户快速上手应用，MaxStream提供开发套件，为您提供价廉的，一流的无线数据通信和支持。该套件包含快速建立和测试长距离无线数据链路所需要的所有硬件和软件。