Zigbee 模块 ZM32 最典型的三个应用场景

时间:2019-09-20 13:05来源:ZLG致远电子

摘要:ZM32系列是ZLG立功科技基于SiliconLabsEFR32MG方案设计的高性能ZigBee模块,前面我们为大家详细介绍了这个模块的实测情况和性能优势。

ZM32系列是ZLG立功科技基于Silicon Labs EFR32MG方案设计的高性能ZigBee模块,前面我们为大家详细介绍了这个模块的实测情况和性能优势,大家也可以回顾之前的测评文章:
《25层?!你从未见过的ZigBee硬核穿楼》
ZM32深度解析-25层穿楼实测大揭密
《ZM32深度解析-你想要的功能我们都做了》


在ZM32系列ZigBee模块的应用案例中,我们提炼出最典型的三种应用场景:
 多级路由级联:例如在智能路灯行业使用ZigBee进行组网时,多采用路由级联的方式延展通信距离,使得整个无线网络能够覆盖几公里;
 复杂的网络拓扑:在某些行业中网络拓扑结构复杂,例如商用照明行业,要求ZigBee节点能在最快的时间内完成组网,并且保证节点具有一定的稳定性及可靠性(网络自愈能力);
 并发上报:在大规模的网络中,例如智慧工厂行业要求多点数据采集,所有节点并发的概率和数量会增加,对网络的处理能力提出更大的挑战;
针对上面三种情况,结合模块特点进行详细分析。

一、多级路由级联——智能路灯
物联网时代到来,城市交通自动化智能化要求全面升级,路灯节点间距20-200米不等,每个控制系统网络中,网关下属路灯数控制在1000盏以内,现场施工要求操作简单方便。


 
图1  路灯实景图
 
项目方案:使用工控板作为路灯系统集中控制器,广域网络通过4G技术(网关设备)与远程服务器中心建立连接,局域网络使用ZigBee无线网络对现场灯光进行控制,同时接收路灯节点返回的路灯状态数据。

 路灯节点:每个路灯上有一个ZM32系列ZigBee模块,模块既做节点,也是路由,在一定区域内组建一个通信网络;
 网关控制器:网关控制器可直接采用ZLG致远电子工控主机,用于边缘计算,对路灯节点进行控制和数据处理;
 数据传输终端:由于网关控制器分布在各个区域,和服务器主机之间通常距离较远,所有的路灯数据又需要统一管理,故采用4G DTU的方式,作为搭建局域网和广域网之间的桥梁。

 
图2  项目方案图
 
每个路灯采节点用ZM32模块来控制,ZM32模块可支持多级路由级联组成一个ZigBee网络,并对路灯节点数据进行转发传输。我们知道,ZigBee 通信效率会随着路由级数的增加而下降,所以路由器必须按需布局。那么,ZM32模块可支持多少级路由布局呢?多级路由级联之后的组网时间和通信性能如何呢?ZLG致远电子工程师对ZM32模块进行了多级路由级联测试。

在室内环境下,进行通信级联测试,主要记录在级联网络结构下的组网时间以及协调器和位于网络最深层次的路由设备间的通信性能,以验证模块的多跳功能,测试结果如下表。


表1  测试结果
 
 
说明:本次测试主要目的是为了验证多跳,而办公室空间有限,因此将远程信号强度调整到临界状态,使得每个模块依次传输,确保级联效果。实际使用时,可以通过安装位置的变化来保证信号强度,避免出现临界状态。

实际空间环境下,当RSSI达到-92dBm时,已经接近接收状态的临界值,此时通信稳定性不高,十分容易受到干扰。当受到干扰导致通信中断,会增加丢包率和组网时长。因此,目前的测试结果可能存在一定的误差。详细的测试方案可咨询ZLG工程师。

二、 复杂的网络拓扑——商用照明
商用照明本身就是现成的互联网络,再将Mesh网络引入其中,就能为商业和工业设施提供一种提高运营效率并支持全新商业机会的创新方式。零售商将能够提供店内导航和定制化促销;医院将能够对患者和设备进行追踪;工厂能够进行自动化监控和维护;企业能够智能地控制照明和室温,并对占用率和安全性进行监控。Mesh网络凭借无与伦比的普遍性、可靠性和互通性,将智能照明变身为无线连接平台。


 
图3  商用照明场景图
 
ZM32模块使用Mesh组网方式进行组网,而无线Mesh网络的特点主要是超远距离传输能力(网络覆盖范围广)和自修复能力。下图为Mesh网络拓扑结构图。

 
图4  Mesh 网络拓扑结构
 
那么,在复杂的Mesh网络中,ZM32系列ZigBee模块的稳定性如何呢?同样,ZLG工程师对ZM32模块进行了稳定性测试,在进行大规模自组网时,并在高强度的数据传输下进行连续长时间测试,以验证ZM32模块的稳定性和可靠性,通过模拟网络内某关键节点永久损坏,测试网络自愈时间。测试主要分终端设备组网测试和全路由组网测试,详细的测试方案可咨询ZLG工程师。测试结论如下:

终端组网测试

• 245台设备能在1min内成功并发入网(测试共240台终端+5台路由);
• 关键节点断电,网络自愈时间约7min(如果网络内数量较少,自愈时间将更短);
• 广播控制能及时响应;
• 休眠与非休眠状态下,能够稳定定时上报。
以上是采用自组网方式的组网时间。若采用配置组网方式,可以缩短组网时间。
 
全路由组网测试

• 101台设备组成的网络能在32min内成功并发入网(测试共101台路由设备);
• 101台设备组成的网络中,关键节点断电,网络自愈时间约 15s(如果网络内数量较少,网络自愈时间将更短);
• 广播控制均能及时响应;
• 101台路由非休眠状态下,能够稳定定时上报。
以上是采用自组网方式的组网时间。若采用配置组网方式,可以缩短组网时间。

三、 并发上报——智慧工厂
物联网技术的发展加速了工业4.0的转型升级,一系列产业已开始向信息化管理转变,传统工厂到智慧工厂的变革必然会成为未来世界制造业中的一波“浪潮”,传统工厂快速实现角色转换的方法是实现设备间的互联互通。


 
图5  智慧工厂场景图
 
以中国十大支柱产业之一的纺织行业举例,目前织机运行自动监控一般采用单片机监控系统或基于RS-485总线的单主机集散监控系统,也有部分织机采用CAN总线的监控系统。但是这些织机运行监控系统存在成本高,系统结构复杂抗干扰性较差以及系统维护困难等缺点。

与RS-485总线及CAN总线相比,ZigBee技术除通信距离较短外,无论是在实时性、抗干扰和可靠性还是在系统成本和扩展性方面都具有明显的优势。同时,在系统布线方面,由于ZigBee采用无线方式,可解决布线复杂的问题。


 
图6  ZigBee无线方案
 
但是,在智慧工厂这种大规模的网络中,所有节点并发的概率和数量会增加,对网络的处理能力提出更大的挑战。所以,ZLG研发工程师对ZM32进行了并发测试,测试ZM32的并发处理能力。测试主要分全终端并发上报和全路由并发上报,详细的测试方案可咨询ZLG工程师。测试结论如下:

全终端并发上报:

• 最大并发数量是62台,上报时间约3.5s;
• 当发送字节数超过射频单帧的最大负载(74字节),并发数量最大支持20台,上报时间约3.5s。
以上测试串口端仅发送一次,若用户增加重发,并发数量会提升。

全路由并发上报:

• 全路由的并发上报测试中,发送字节数小于射频单帧的最大负载(74字节),最大并发数量约是30台,上报时间约3.5s。
以上测试串口端仅发送一次,若用户增加重发,并发数量会提升。

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