基于ZIGBEE技术的校园一卡通无线通信系统

文章出处：http://www.ifyousmell.com 作者： 人气： 发表时间：2011年09月08日

    对于校园一卡通系统，往往需要相互间的通信，以交换数据和控制指令。目前采用的联网方式多是有线连接，联网方式设备仍然使用RS485/RS422 网络；少数设备内置TCP/IP 通讯模块，使用五类线联网。随着无线网络通信技术的发展，在一些不便于或需要消除有线连接的场合，无线通信技术便有了它的用武之地。

    一、Zigbee 无线技术及应用

    （一）主要技术

    ZigBee 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记和蓝牙之间的无线技术方案。ZigBee 的基础是IEEE 802.15.4，它规定了ZigBee 的物理层和媒体接入控制层。ZigBee 的工作频段分别为868 MHz、915 MHz、2.4GHz 三个频段，其中频段868 MHz 定义了1 个频道：频段915 MHz 定义了 10 个频道；频段2.4 GHz 定义了16 个频道。ZigBee 网络层协议由ZigBee联盟制定，其设备可以构造成星型网络或点对点的网络，连接地址分为16 位短地址和64 位长地址。因而具有较大网络容量。它的应用层可根据用户的需要进行开发利用。其ZigBee 协议栈结构如图l 所示。

    （二）Zigbee 的主要特点：

    通信的可靠性

    Zigbee 采用了CSMA-CA 的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突，有明晰的信道检测；

    网络的可靠性

    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，节点位置发送变动或者节点发生故障等等，无需人工干预，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，保证整个系统仍然能正常的工作。
    多点传输：单点对多点传送数据，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000 个节点。
    低功耗：在低耗电待机模式下，2 节5 号干电池可支持1 个节点工作6~24 个月，甚至更长。
    低成本：通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，而且Zigbee 免协议专利费。
    低速率：Zigbee 工作在20~250 kbps 的较低速率，分别提供250 kbps（2.4 GHz）、40 kbps（915 MHz）和20 kbps（868 MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

    （三）ZigBee 技术抗干扰特性分析

    ZigBee 技术的抗干扰特性主要是指抗同频干扰，即来自共用相同频段的其他技术的干扰。对于同频干扰的抵御能力是极为重要的，因为它直接影响到设备的性能。图2 中可见在低信噪比的环境下各类无线技术中ZigBee 的误码率在信噪比为4dB 的情况下可达10 -9 ，要达到同样误码率，Wi-Fi 要达10dB，蓝牙高达16dB，Zigbee 的抗干扰性能明显高于Wi-Fi 和蓝牙技术。ZigBee在2.4GHz 频段内具备强抗干扰能力就意味着能够可靠地与校园内的Wi-Fi、蓝牙、WirelessUSB 以及无绳电话甚至食堂内的微波炉共存。

    二、校园一卡通的联网方式的选择

    校园一卡通系统从上世纪90 年代初开始至今已经有20 年的发展历史了，但其联网方式发展却停步不前，联网方式仍然在使用RS485 通讯，它的联网数量在128 台以内，最大通讯距离只有1200 米，通讯速率在9.6-19.2kbps 左右，半双工模式。联网方式的滞后，造成了校园一卡通的联网通讯瓶颈，校园一卡通POS机只能设置在有限的场所和场地，其他一些商铺和小型零售店还是无法联接，而使用Zigbee 无线通讯的校园一卡通则：施工周期短，无需布线施工，节省费用，实施迅速，不影响室内外装修美观。

    传输速度快，最高工作速率可达250Kbp/s，10 倍于普通485通讯速度。
    强大的可扩展性，随时扩大系统的覆盖面，由于使用无线传输方式，用户环境进行扩容的时候，不需要改造布线的成本支出。
    多点传输的能力，单点对多点传送数据，其联网设备数量远超过普通RS485 的设备联网数量。
    环保健康，高灵敏度，低功耗，无线收发器待机状态仅为1uA，可满足低功耗设备的要求。
    抗干扰，相同的环境下zigbee 的抗干扰性能明显高于Wi-Fi和蓝牙技术。
    灵活的组网，校园一卡通同一系统内仍支持RS485 通讯、TCP/IP 通讯。

    结语

    Zigbee 无线技术是当今无线技术发展的一个热门，国内使用Zigbee 无线通讯的校园一卡通还没有得到广泛的应用，但随着人们对信息化要求的不断提高和有线网络本身的缺点，使用无线通讯的校园一卡通最终要融入到我们的生活中来。无线网络虽然具有传统网络无法比拟的优越性，但从实际来看无线网络并不能完全取代有线网络，而两者因地制宜的结合使用却能使整个网络的性能、品质最优。现在这种混合组网的方式已出现在国内外的一些高校和企业中，相信不久的将来它将成为校园一卡通的主要组网形式。

    参考文献：
    [1]邓磊,王子敬,范玲俐.基于ZigBee 无线网络的温度采集系统设计[J].电子元器件应用,2010 年,02 期
    [2] 深圳摩尔实验室.Zigbee 为什么能抗干扰？[EB/OL].http://blog.c114.net/html/04/294204-35030.html
    [3]瞿雷.一种新的无线网络通信技术Zigbee[J].单片机与嵌入式系统应用,2006 年,01 期

    作者简介：武汉大学计算机学院 李进