虽然新的ZigBee无线数据标准通常与家庭自动化相关,但它正在迅速进入工业、军事和航空航天应用领域。通过以极低的成本提供高度可靠的无线网状网络,ZigBee能够改进传统的传感和监控应用,并能够实现否则将不切实际的新应用。

考虑两个截然不同的ZigBee部署示例,说明其灵活性:

  • 在武器存储设施管理应用程序中,连接到导弹的ZigBee的传感器可以为状态跟踪提供近距离读数。这些系统可以在不替换的情况下在同一电池上运行。
  • 在国土安全应用中,急救人员可以快速分发ZigBee传感器,以检测NBC(核、生物、化学)试剂的存在。传感器可以通过自组织网状网络将数据立即重复传输到指挥站。

ZigBee作为“低功耗”标准

ZigBee通常被描述为“低功率”无线网络的标准。甚至是最谦虚的传感器和执行器之间的无线连接,包括在持续多年的电池上运行的设备,ZigBee必须非常有力,以满足其目标。然而,ZigBee的低功耗源于低RF功率,但在专门设计用于容纳电池电量的睡眠模式下。

ZigBee无线电可以在不发送时自动切换到睡眠模式,并保持睡眠状态,直到他们需要再次通信。在睡眠模式下,无线电的射频额定值是无关紧要的;只有在传输其RF功率时才会影响功耗。

在Cirronet的ZigBee解决方案中,100 mw射频功率的收音机在3.3 V时通常消耗150 mA,而1 mw射频功率的收音机在3.3 V时消耗25 mA。100兆瓦的无线电消耗6倍的能量,但只有在积极发射时。只要关掉它的低噪声放大器,高功率收音机在睡眠时的功耗大致相当于低功率收音机。

如果清醒和高功率无线电传输0.05%的时间(每隔10秒),这是最现实的传感应用,额外的平均功耗很小- 1500 mA / hr细胞将持续大约3.3年1兆瓦功率无线电将持续两年多100兆瓦功率无线电。如图所示,在许多应用中,具有较高射频输出额定值的ZigBee无线电仍然是电池电源的优秀候选人。

成本遏制的ZigBee无线电具有低RF功率,而不是用于电池保护,因为它们满足许多应用的需求而不为放大器的增加的费用。

图1:在遵守ZigBee规范的同时,将射频放大器添加到ZigBee无线电可显著增加传输范围。

所有Zigbee芯片组都具有〜1 mW的RF功率等级;每100 MW ZigBee无线电都具有额外的RF功率放大器。虽然100 MW版本的100 MW模块的增量价格普遍 - 通常为每模块约10美元,但这是一项从应用程序所要求的避免的费用。

具有1兆瓦射频功率的ZigBee无线电的室内传输范围约为100英尺(30米)。对于所有节点都非常接近且传输通常畅通无阻的应用而言,这是足够的传输距离。

高功率Zigbee:范围、覆盖和多路径

许多应用要求超过1兆瓦射频输出无线电的范围,或要求传输高于噪声下限。在这些情况下,射频放大器的成本是合理的(见图1)。

100兆瓦的收音机在室内的范围约为300英尺,大约是1兆瓦收音机的3倍。这种差别在户外甚至更明显,在户外,100兆瓦的收音机提供的视线范围约为3000英尺,大约是1兆瓦收音机的10倍。

较长的范围使100 MW ZigBee Radios优于大型室内设置和户外安装中的应用,其中节点通常是不可通过无可化的ZigBee无线电跨越的间隔。

在依赖ZigBee的网状网络覆盖大面积的应用中,增加100 mW无线电范围的好处是成本显著。无线电可用性,或防止网状覆盖中断的保证,是相对于每个无线电传输范围的无线电位置的函数。每个收音机的范围代表一个圆的半径,该圆定义了传输足迹。对于一个区域的连续覆盖,每个无线电必须在其在网格中通信的其他无线电的范围内。

图2:矩形网格覆盖范围的重要性。

如果半径为300英尺(高RF-Power Indoor Radio),则四个无线电的覆盖范围的矩形区域为810,000平方英尺。如果半径为100英尺(低RF功率室内无线电),则来自四个无线电的矩形区域仅为90,000 - 意味着它将需要九倍的1MW无线电,以覆盖与100 MW无线电相同的区域(见图2)。

对于户外应用,差异是极端的。四个高功率无线电的矩形区域为8100万平方英尺,对于四个低功耗无线电,这意味着需要大约100倍的低功耗无线电覆盖相同区域。

当地面物体反射无线电信号,导致信号通过多条路径到达目的地时,就会发生多径衰落。当信号几乎同时到达但相位不一致时,多径衰落会导致相消。更高的射频功率可以通过确保最直接的路径提供提高接收信号的强信号来补偿多径。

ZigBee选项:示例场景

每个无线应用程序对距离、覆盖和抗多径衰落的需求决定了低射频功率还是高射频功率是更好的选择。

如前所述,低射频功率ZigBee无线电的一个应用是武器储存设施的资产跟踪。与储存在该设施的导弹相连的传感器嵌入了1兆瓦的ZigBee无线电;传感器识别每枚导弹的库存数据、状态、温度等,以及传感器/无线电电池的状态。每隔一段时间,通过记录数据的手持设备自动轮询传感器。由于所有通信都非常接近,1兆瓦的射频功率就足够了。

图3:多径衰落会阻碍无线传输;更高的射频功率会有所帮助。

一些应用程序的特点是混合了短距离和长距离无线链路。当低射频功率无线电能够满足大量链路时,将这两种无线电类型混合使用是有益的。考虑一个全球军事供应链的应用程序,跟踪集装箱、飞机托盘、轨道车、卡车和拖车等资产。每个实体都可以配备1兆瓦射频功率的ZigBee无线电,用于中继传感器数据。当资产到达移动阻塞点时,其无线电可以与100 mW ZigBee无线电通信,该无线电作为路由器,在较长距离上转发数据,通常发送到ZigBee以太网网关,以传送到监控程序。

其他应用程序需要网络中的所有无线电都具有高RF功率。在前面提到的国土安全应用程序中,首先响应者可以通过在该区域周围折腾多个传感器来快速填充入射区域,以检测NBC代理的存在。ZigBee无线电应全部高RF功率,因此设备可以放在更远的间隔,并确保由于建筑物的多径衰落。该应用程序大量取决于ZigBee的自我形成网状网络能力,完全覆盖和监控事件区域。

如上述示例所示,ZigBee的高射频功率和低射频功率选项使设计工程师能够将无线电选择直接与距离、覆盖和多径电阻的要求联系起来,从而使工业、军事和航空航天应用受益匪浅。除了ZigBee的网状网络和极低的无线电成本,射频功率选项应该有助于ZigBee作为无线数据应用的领先技术向前发展。

这篇文章是由Cirrronet,德鲁特,佐治亚州Cirrronet营销副总裁的蒂姆卡德勒编写的。有关更多信息,请访问http://info.ims.ca/5655-401.


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这篇文章首次出现在2006年2月的《金融时报》上嵌入式技术杂志

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