融合GPRS技术的ZigBee无线网络

摘要：ZigBee是一种低成本低速率低功耗的双向无线通讯标准，CPRS是基于GSM的一种低成本高效率数据包通讯协议。文章阐述了基于ZigBee和GPRS融合的WAN-LAN通讯系统，并且提出了一种可以实现的硬件结构，该结构结合了CAN总线通讯协议，可以用于工业控制领域，并且具备低成本传送距离长的优点。
关键词：通用分组无线业务；ZigBee

O 引言
随着通讯技术的发展，传统的信息和控制传送的方式正在被新的技术所取代，有线的非功率传送的通讯和控制系统由于线路安装和维护的成本高昂，随着时间的推移可靠性更加难以保证，而且网络的组织一经安装完毕就不可更改，除非再次布网，而无线的通讯和控制传送网络由于低成本、低功耗、组网方便正日益得到广泛的应用。
短距离无线通讯的历史发展到标准网络是近十几年的事，目前正在成为无线通信技术的一大热点，表1列出了正在使用的几种主要标准的发展时间表和主要特点：

红外技术成本较低，具有很好的安全性和抗干扰性，但是传输距离较短且为视距传播，无法组网。Wi-Fi传输速率高、传输距离远，可以实现小范围的组网，但是Wi-Fi的802．11的射频和基带协议较为复杂，实现成本高、功耗大，实现嵌入式应用困难。Home RF的共享协议主要是侧重于PC及其外设，成本较高，抗干扰性较差。蓝牙的技术比较复杂，应用系统费用高、功耗高、产品的互操作性还未得到很好的解决。而zigBee的成本低、功耗低，可以胜任Wi-Fi无法胜任的领域，可以补充蓝牙技术达不到的低速率长距离的技术盲区。
GPRS(通用分组无线服务)是一整套基于全球移动通信系统GSM的包模式通信服务，GPRS用户以一种低成本有效利用GSM网络的非接入方式的通信，具备以下特性：
·间歇的非周期性发送，发送间隔时间一般大于传输时延
·频繁传送低容量数据
·传送高容量数据不频繁
GPRS通信中有两种服务方式，一种为点到点的服务方式PTP，一种是点到多点的服务方式PTM。

1 ZigBee简介
ZigBee是英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦公司于2002年10月共同提出的一种新的短距离低速率无线通信技术，ZigBee由IEEE 802．15．4小组和ZigBee联盟两个组织制订，ZigBee的意思是模仿蜜蜂的ZigZag通讯。ZigBee的通信协议分
为六层，其中网络层和应用层由ZigBee联盟制订，数据链路层(包括LLC和MAC)和物理层由802．15．4小组制订。ZigBee的连接时延一般在大约15ms到30ms之间，使用的工作频段分别为2．4G(全球通用)、868MHz(欧洲)和915MHz(美国)，均为免执照频段。
ZigBee的网络设备主要包括网络协调器、全功能设备和精简功能设备三类。其中，网络协调器最复杂，其功能是发送网络信标、建立网络、管理节点、寻找一对节点间的路由和接收信息。全功能设备(FFD)担任网络协调者形成网络，然后让其他的精简功能装置(RFD)联结，可提供双向传输，具备全部IEEE802．15．4的功能和特征，闲时起到网络路由器的功能，也可以做终端设备。精简功能设备只能传送信息给FFD和从FFD接收信息，在网络中常用作终端设备，成本较低，一般由简单的8位处理器和小协议栈构成。

2 融合GPRS技术的ZigBee应用
由于ZigBee网络的有效通讯范围一般为10～300m，对于空间上相对分布比较分散的单位或者距离较远的单位之间，各个ZigBee网络网内或网间控制数据的传送往往需要非常远的距离，有可能超过ZigBee网络通讯的有效距离。而由ZigBee技术构成的局域网本身也存在联网的需要。而空间距离非常大的广域网的运行和维护如果采用数传电台等用户系统，不但运行和维护成本较高，所需要的无线电频段可能还需要申请和付费。而采用GPRS这种成熟的第三方传输服务就可以节省大量的运行和维护费用，目前采用GPRS传送数据每k字节成本不到一分钱，相对来说非常经济。

3 GPRS-ZigBee混合系统的整体设计
3．1 GPRS-ZigBee系统简介
GPRS-ZigBee是由多个ZigBee节点构成，每个ZigBee节点都可以通过CAN总线和现场工作单元连接，可以进行控制数据的采集、计算和通信。ZigBee网络设备根据拓扑结构可以分为三类：网络协调器、网络路由器和网络终端。网络协调器功能最强也最复杂，网络路由器一般为
FFD，网络终端可以是精简功能设备。简单的网络可以由网络协调器和精简功能设备构成，形成星形结构(STAR)，比较复杂的网络可以有中间层FFD构成ZigBee网内路由节点，形成树状网络(TREE)和网状网络(Mesh)。本文的GPRS-ZigBee混合系统的网络协调器配备GPRS通讯模块，可以实现GPRS-ZigBee系统问的远程互连或者和其他计算机系统的远程互连。