新的ZigBee无线数据标准通常与家庭自动化联系在一起,但它正在迅速进入工业、军事和航空应用领域。通过以非常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程序,并实现一些原本不切实际的新应用程序。

考虑两个截然不同的ZigBee部署示例,它们展示了ZigBee的灵活性:

  • 在武器存储设施管理应用程序中,安装在导弹上的zigbee传感器可以提供近距离读数,用于状态跟踪。这些系统可以用同样的电池运行数年而无需更换。
  • 在国土安全应用中,第一反应人员可以快速分发启用zigbee的传感器,以检测NBC(核、生物、化学)制剂的存在。传感器可以通过一个自形成的网状网络,立即并重复地将数据传输到指挥站。

ZigBee作为“低功耗”标准

ZigBee通常被描述为“低功耗”无线网络的标准。ZigBee设计用于即使是最简陋的传感器和执行器之间的无线连接,包括使用持续数年的电池的设备,它必须非常节能,才能实现其目标。然而,ZigBee的低功耗并非源于低射频功率,而是一种专为适应电池功率而设计的睡眠模式。

ZigBee无线电在不发送信号时可以自动切换到休眠模式,并保持休眠状态,直到需要再次通信。当处于睡眠模式时,收音机的射频功率与之无关;只有在发射时,它的射频功率才会影响功耗。

在Cirronet ZigBee解决方案的情况下,用100mW的RF功率的无线电通常将在3.3 V时发送相比,25毫安在3.3 V具有1毫瓦的RF功率的无线电消耗150毫安。在100 mW的无线电消耗六次大的权力,但只有当主动传输。只要其低的噪声,同时睡眠大致相当于一个低功率无线电的放大器被关闭时,高功率无线电的功率消耗。

如果高RF功率无线电清醒和发送的时间(每10秒一次),这对于大多数传感应用现实0.05%,则多余的平均功耗是最小的 - 1500毫安/小时的细胞,将持续大约3.3年与1 mW的RF功率无线电将持续两年多了100 mW的RF功率无线电。作为此示出,ZigBee无线电与较高的RF输出的评分仍然在许多应用中为电池功率的最佳候选。

低射频功率的ZigBee无线电的存在更多是为了控制成本,而不是为了节省电池,因为它们可以满足许多应用的需求,而无需增加放大器的费用。

图1:在ZigBee无线电中添加射频放大器,在遵守ZigBee规范的同时,显著增加了传输范围。

所有ZigBee芯片组的额定射频功率为~ 1mw;每100 mw ZigBee收音机都有一个额外的射频功率放大器。虽然100mw模块相对于1mw模块的价格增幅不大——通常在低量情况下,每个模块大约10美元——但显然应该避免这种费用,除非应用程序需要。

具有1mw射频功率的ZigBee无线电的室内传输范围约为100英尺(30米),对于所有节点都很近且传输通常不受阻碍的应用来说,这是一个足够的传输距离。

高功耗的ZigBee:品种齐全,覆盖面广,多路径

许多应用需要多于一个1毫瓦RF输出无线信号的范围,或要求传输上升高于本底噪声。在这些情况下,RF放大器是合理的成本(见图1)。

的100 mW的无线电设备的室内范围是大约300英尺,一个1毫瓦无线电的大致三倍。所不同的是更加剧烈的户外活动,其中100 mW的无线电报价行的视线范围内的约3,000脚 - 一个1 mW的无线电的大约10倍。

较长的范围使100兆瓦ZigBee无线电在大型室内设置和室外安装的应用中具有优势,在这些应用中,节点的间隔往往无法由未放大的ZigBee无线电跨越。

在依赖ZigBee网状网络覆盖大片区域的应用中,100 mw无线电波增加范围的好处是成本高昂。无线电可用性,或保证网络覆盖的中断,是无线电放置相对于每个无线电的传输范围的函数。每个无线电的范围表示一个圆的半径,这个圆定义了传输足迹。为了一个区域的连续覆盖,每个无线电必须在网络中与其他无线电通信的范围内。

图2:在范围的矩形网孔的重要性来覆盖。

如果半径为300英尺(高射频功率室内无线电),四台无线电的矩形覆盖面积为81万平方英尺。如果半径为100英尺(低射频功率室内无线电),四台无线电的矩形覆盖面积仅为90,000,这意味着需要9倍于100- mw无线电的1-mW无线电覆盖同一区域(见图2)。

对于户外应用,这种差异是极端的。四个高功率无线电的矩形覆盖面积是8100万平方英尺,而四个低功率无线电的矩形覆盖面积是81万平方英尺,这意味着需要大约100倍的低功率无线电才能覆盖同一区域。

当地面物体反射无线电信号时,会发生多径衰落,导致信号通过多条路径到达目的地。当信号几乎同时到达但相位不同时,多径衰落会导致相互抵消。更高的射频功率可以补偿多径,确保最直接的路径发送一个强信号,提高接收信号。

ZigBee选项:示例场景

每个无线应用程序的需要范围,覆盖范围和多径衰落电阻决定低或高RF功率是否是更好的选择。

如前所述,低射频功率ZigBee无线电的一个应用是武器存储设施的资产跟踪。存储在该设施的导弹上的传感器嵌入了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,传感器就会被记录数据的手持设备自动轮询。由于所有通信都是近距离的,1 mw的射频功率是足够的。

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连接。当低射频功率的无线电能够满足这些链路的大量时,混合这两种无线电类型是有益的。考虑一个用于全球军事供应链的应用程序,该供应链跟踪诸如集装箱、空运托盘、火车车厢、卡车和拖车等资产。每个实体都可以配备一个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,它们的无线电可以与100兆瓦的ZigBee无线电进行通信,ZigBee无线电作为路由器,将数据进行长距离转发,通常是发送到ZigBee以太网网关,然后发送到监控程序。

还有一些应用要求网络中的所有无线电都具有高射频功率。在前面提到的国土安全应用程序中,第一反应人员可以通过在事故区域周围投掷多个传感器来检测NBC代理的存在,从而快速进入事故区域。ZigBee无线电应该都是高射频功率的,以便设备可以放置得更远,并确保抵抗由于建筑物造成的多径衰落。该应用程序严重依赖ZigBee的自形成网状网络能力,以完全覆盖和监控事故区域。

正如上面的例子说明,工业,军事和航空航天应用的ZigBee从高和低RF功率选项,允许设计工程师直接配合无线电选择为范围,覆盖范围和抗多径的要求大大受益。随着ZigBee的网状网络和极低的成本电台,RF功率选择应该有助于帮助提前的ZigBee作为领先的技术,无线数据应用很长的路要走。

这篇文章的作者是蒂姆·卡特勒,为Cirronet,佐治亚州德卢斯,营销副总裁。欲了解更多信息,请访问http://info.ims.ca/5655-401。


嵌入式技术杂志

这篇文章首次发表在2006年2月的嵌入式技术杂志。

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