基于ZigBee的敬老院環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可行性分析

盧秋帆

摘要：隨著現(xiàn)代化信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和提高，老年人對(duì)自己的生活環(huán)境有了更高的要求，希望自己的生活環(huán)境健康、舒適。我國(guó)老齡化增加，各個(gè)地方都修建了敬老院來解決老人們的生活問題，但是隨著敬老院越來越多，安全隱患的發(fā)生越來越多。因此，本文利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)出了這種基于ZigBee的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；敬老院：環(huán)境監(jiān)控

一、需求分析

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，在環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中越來越多的使用ZigBee，在本系統(tǒng)中就是采用的ZigBee技術(shù)，使用ZigBee有很多的方便之處，ZigBee的功耗低、成本低、時(shí)延斷、可靠性高、體積較小，易于安裝和維護(hù)。敬老院監(jiān)控環(huán)境雖然并不算太過于惡劣，但采用體積較小的傳感器，可以減少傳感器的損壞幾率，也可以減少整個(gè)傳感器設(shè)備的體積，以便安裝到敬老院的每一個(gè)角落。擴(kuò)展性較強(qiáng)，可以在系統(tǒng)里添加刪除結(jié)點(diǎn)。ZigBee模塊的處理速度快，功耗低。

二、ZigBee技術(shù)介紹

ZigBee技術(shù)是一種由開放性組織ZigBee聯(lián)盟推廣的近距離雙向無線通信技術(shù)，2004年發(fā)布了第一版該項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。工作如果在2.4GHz（全球衡量）、868MHz（歐洲衡量）和915MHz（美國(guó)衡量）3個(gè)頻段上，分別具有最高250 Kb/s、20 Kb/s和40Kb/s的傳輸速率，傳輸距離在百米范圍之內(nèi)。ZigBee技術(shù)優(yōu)點(diǎn)在于距離短、功耗比較低且傳輸速率也比較低的電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，還進(jìn)行非常典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)、低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)的傳輸。

（一）ZigBee技術(shù)的現(xiàn)狀及前景

人們?cè)谑褂盟{(lán)牙技術(shù)的過程中，體驗(yàn)到了很多的便利。但在工業(yè)，家庭自動(dòng)化控制和工業(yè)遙測(cè)通控等應(yīng)用領(lǐng)域，藍(lán)牙技術(shù)表現(xiàn)出協(xié)議復(fù)雜、功耗大、距離近和組網(wǎng)規(guī)模小等缺陷，自動(dòng)化迫切需要一種高可靠的、抗干擾的無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)。經(jīng)過業(yè)界的長(zhǎng)期研究，2004年，滿足該需求的ZigBee協(xié)議正式問世。ZigBee技術(shù)從誕生到現(xiàn)在共發(fā)布了2004、2006、2007及pro這4個(gè)版本。相比藍(lán)牙等其他近路離傳輸技術(shù)，ZigBee技術(shù)的一大化勢(shì)在于較低的功耗，就拿每個(gè)結(jié)點(diǎn)的電池耗電來說，相比兩節(jié)5號(hào)電池可支持藍(lán)牙結(jié)點(diǎn)數(shù)周、支持Wi-Fi結(jié)點(diǎn)數(shù)小時(shí)的水平，兩節(jié)5號(hào)電池可支持ZigBee結(jié)點(diǎn)完成6-24個(gè)月的工作。如此大的優(yōu)勢(shì)讓ZigBee技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中占據(jù)了有利的地位。除此之外，ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸速率低、協(xié)議簡(jiǎn)單且應(yīng)用層開放，大大降低了設(shè)備開發(fā)成本。最重要的是免收專利費(fèi)，極大地促發(fā)了生產(chǎn)廠商的使用熱情。

1.更多芯片廠商的參與

每一項(xiàng)通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)都需要上游芯片廠商的各種支持和推動(dòng)，ZigBee技術(shù)事一項(xiàng)功耗低、低速率的無線短距離傳輸應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，肯定離不開芯片廠商的支持。越多的芯片廠商參與ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定以及推廣，能夠讓ZigBee技術(shù)更快地發(fā)展。

2.網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)的進(jìn)一步體現(xiàn)

雖然ZigBee用越來越多，芯片出貨量也年年遞增，但ZigBee技術(shù)的推廣仍然處于起步探索階段，還沒有真正起飛。工程中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的應(yīng)比較多，能夠體現(xiàn)ZigBee關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)勢(shì)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用太少。因此，進(jìn)步加大對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的推廣，尤其是對(duì)其特有的大型網(wǎng)絡(luò)的組建優(yōu)勢(shì)的推廣也勢(shì)在必行。

（二）ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)

1.傳輸范圍小、速率低

ZigBee技術(shù)的有效覆蓋范圍只有百米左右，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境，但由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的一些特殊性，比如一個(gè)星形結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)頂天可容納254個(gè)從設(shè)備以及一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)城內(nèi)大概同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，所以可通過多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的連接從而獲取更大的范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋。同時(shí)，ZigBee技術(shù)專注于低速率傳輸，其傳輸速率范圍為10Kb/s-250Kb/s。

2.硬件的低功耗

因?yàn)閆igBee傳輸速率低，發(fā)射功率只有1mW，并且具有休眠模式，所以ZigBee設(shè)備很省電。估計(jì)ZigBee設(shè)備如果靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池完全可以維持6個(gè)月到兩年左右的使用時(shí)間，它的功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于同處2.4GHZ頻段的藍(lán)牙和Wi-Fi。

3.技術(shù)成本低

由于ZigBee協(xié)議免收專利費(fèi)，并且簡(jiǎn)單開放，因此為下游企業(yè)進(jìn)行自主開發(fā)帶來極大的方便。早期ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，隨著部分硬件功能被軟件替代，初始成本已經(jīng)大幅度降低。現(xiàn)在市場(chǎng)上的ZigBee模塊由于功能不同，其價(jià)格差異較大。

4.網(wǎng)絡(luò)時(shí)延比較短

ZigBee技術(shù)的通信時(shí)延、從休眠狀態(tài)到激活的時(shí)延都很短，它搜索設(shè)備時(shí)延的具有代表性的典型值為30ms，還有休眠激活的時(shí)延通常典型值為15InS，以及活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延值為15ms，這對(duì)于時(shí)延要求非常苛刻的無線控制（比如工業(yè)控制場(chǎng)合等）應(yīng)用，ZigBee技術(shù)很適合。

5.傳輸可靠性較高

ZigBee技術(shù)采取了載波偵聽多路訪問/碰撞避（carrier SenseMuhiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）的策略，而且為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)留下了一些專業(yè)時(shí)隙，完全避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)以及沖突。MAC層用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，發(fā)送的數(shù)據(jù)包都一定需要等待接收方確認(rèn)信息，一旦傳輸過程中出現(xiàn)問題，就要重發(fā)。