Zigbee實(shí)現智能家庭網(wǎng)絡(luò )

IEEE 802.15.4定義了一種可選的MAC層超幀結構，超幀包括活躍(Active)和非活躍(Inactive)兩部分。在非活躍部分，設備可以進(jìn)入低功耗模式(休眠狀態(tài))；在活躍部分又分為競爭期和非競爭期，競爭期提供給以CSMA-CA方式接人的設備使用，非競爭期由若干保障時(shí)隙組成，提供給某些需要保留一定數據帶寬的設備。這種超幀結構體現了IEEE 802.15.4低功耗的一大特點(diǎn)，非活躍期的引入限制了設備之間收發(fā)信機的開(kāi)通時(shí)間，在無(wú)數據傳輸時(shí)使它們處于休眠狀態(tài)，從而大大節省了功率開(kāi)支。

Zigbee設備分為全功能設備和精簡(jiǎn)功能設備，精簡(jiǎn)功能設備相對全功能設備協(xié)議棧簡(jiǎn)單并且內存更小，只能和某個(gè)全功能設備進(jìn)行交互。而全功能設備具有完備的IEEE 802.15.4協(xié)議功能，能與其傳輸范圍內的任何節點(diǎn)進(jìn)行交互。兩種設備相互組合，可以組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )、星型網(wǎng)絡(luò )和樹(shù)型網(wǎng)絡(luò )。

Zigbee是第一種用于傳感器與制動(dòng)器等監測和控制應用的開(kāi)放無(wú)線(xiàn)標準。Zigbee采用網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò ) (MeshNetwork)分布式網(wǎng)絡(luò )架構，可提供多條傳輸路徑，故能提高網(wǎng)絡(luò )的可靠性和擴展性。網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )分布式網(wǎng)絡(luò )架構的自我修復能力同時(shí)能使Zigbee網(wǎng)絡(luò )穩定可靠，亦即網(wǎng)絡(luò )只要包含足夠的路由器節點(diǎn)，就算某個(gè)路由器節點(diǎn)發(fā)生問(wèn)題，例如操作環(huán)境包含Wi-Fi 等同樣使用ISM頻帶的干擾源，數據仍能經(jīng)由其它路徑抵達目的地，Zigbee網(wǎng)絡(luò )即可穩定工作。

Zigbee技術(shù)的主要優(yōu)勢包括：

(1)低功耗，省電：由于Zigbee傳輸速率低，傳輸數據量相對少，因而收發(fā)信息的時(shí)間少；另外，Zigbee 設備在非工作狀態(tài)可處于睡眠模式，所以非常省電，其電池壽命可持續幾個(gè)月到幾年；即使是電源供電條件下其功耗也遠遠低于Wi-Fi和Bluetooth。

(2)高可靠性：由于采用載波偵聽(tīng)多點(diǎn)接人／沖突避免(CSMA／CA)的媒體訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議以及應答式通信機制，每次數據發(fā)送成功時(shí)都由接收方確認收到，沒(méi)有得到確認的數據說(shuō)明發(fā)生了碰撞，可進(jìn)行重傳。這種機制大大提高了通信的可靠度。

(3)網(wǎng)絡(luò )可擴充性：Zigbee設備可以使用64bit的 IEEE物理地址，也可以使用l6bit的網(wǎng)絡(luò )短地址，這樣整個(gè)網(wǎng)絡(luò )規?？蛇_到6.5萬(wàn)個(gè)以上的節點(diǎn)；另外， Zigbee網(wǎng)絡(luò )采用自組織網(wǎng)絡(luò )(AdHoeNetwork)的結構，在網(wǎng)絡(luò )的組建和維護上都具有相當大的靈活度，因而Zigbee在網(wǎng)絡(luò )上的優(yōu)勢不容忽視。

(4)架構簡(jiǎn)單，易實(shí)現，其協(xié)議棧大小約為Blue- tooth的1／4。

(5)低成本，目前其芯片的批量購買(mǎi)價(jià)格已低于每塊3美元。

Zigbee技術(shù)可以應用到醫療衛生中的遠程監測病人身體狀況、家庭自動(dòng)化中的照明設備、空調設備、門(mén)禁系統的遠程控制，另外在工農業(yè)生產(chǎn)中也有很廣泛的應用，如工業(yè)中的數據自動(dòng)采集和處理，農業(yè)中自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化的遠程控制設備進(jìn)行播種。

3 Zigbee聯(lián)盟

Zigbee聯(lián)盟負責制訂Zigbee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )層、安全管理、應用層規范以及互通性測試。Zigbee聯(lián)盟于 2002年8月由Honeywell，Mitsubishi，Motorola．Philips 及Invensys共同成立。其目標是將無(wú)線(xiàn)智能系統植入到日常生活的設備中，向用戶(hù)提供集靈活性、移動(dòng)性和簡(jiǎn)單易用于一身的終極解決方案。Zigbee技術(shù)將廣泛地嵌入到多種產(chǎn)品和應用中去，這些產(chǎn)品和應用涉及到世界范圍的消費者、商業(yè)、工業(yè)和政府市場(chǎng)。而 Zigbee聯(lián)盟為企業(yè)提供了這樣一種可靠的、高成本效率的、低功耗的、面向自動(dòng)化和監控應用的國際無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準。

Zigbee聯(lián)盟目前已發(fā)展了200多家成員，共有7 個(gè)工作組，即系統架構組(Architecture)、應用框架組 (Application Framework)、網(wǎng)絡(luò )組(Network)、安全組 (Security)、認證組(InteroperabilityQualification)、市場(chǎng)組(Marketing)、網(wǎng)關(guān)組(Gateway)。Zigboe聯(lián)盟的主要工作是：

(1)定義網(wǎng)絡(luò )層、安全管理、應用層規范。

(2)提供互通和一致性測試規范。

(3)在全球范圍內推廣Zigbee品牌、建立市場(chǎng)認知度。

(4)負責Zigbee技術(shù)的演進(jìn)。

zigbee聯(lián)盟的應用方向定位于：家庭自動(dòng)化 (HomeAutomation)、樓宇自動(dòng)化(CommercialBuilding Automation)、工農業(yè)監控(IndustrialPlantMonitor)、傳感器應用(Wireless Sensor Applications)、電信應用 (TelecomApplications)、其它監控領(lǐng)域(醫療、消費電子、計算機外設等)。

Zigbee聯(lián)盟在2004年12月正式推出Zigbee 1.0 版本標準。2006年10月發(fā)布其增強版本“Zig bee-2006 Specifications”，主要面向家庭應用環(huán)境。 Zigbee聯(lián)盟于2008年1月發(fā)布了最新的版本規范，增加了面向商業(yè)應用環(huán)境的協(xié)議棧模型，在技術(shù)上除了對現有技術(shù)加以完備和改進(jìn)以外，還增加了很多旨在增強網(wǎng)絡(luò )靈活性及擴展網(wǎng)絡(luò )適用性的新特性，如連接兩個(gè)或兩個(gè)以上的PAN(LinkTwo orMoreNet- works)、網(wǎng)絡(luò )內部移動(dòng)性(IntraPAN Portability)、網(wǎng)絡(luò )擴張的動(dòng)態(tài)作用機制(Dynamic SystemReactionto Growth ofNetworks)和PAN的頻率靈活性(PANFre- quencyAgility)等。

4 Zigbee在智能家庭中的應用

家庭內部通常地理范圍較小，而無(wú)線(xiàn)通信具有無(wú)需進(jìn)行鋪線(xiàn)等有線(xiàn)通信所不具備的優(yōu)勢，因此家庭網(wǎng)絡(luò )中的聯(lián)網(wǎng)非常適合通過(guò)近距離無(wú)線(xiàn)通信來(lái)實(shí)現。為了把人們從日?，嵤轮薪夥懦鰜?lái)，家庭自動(dòng)化是Zig bee技術(shù)最有吸引力的一種應用。有了Zigbee之后，盡管你家里的電器來(lái)自不同廠(chǎng)家，但它們都能彼此溝通和合作。你可以如此配置你的家庭網(wǎng)絡(luò )：當你打開(kāi)電視機時(shí)，燈光自動(dòng)減弱；當電話(huà)鈴響起時(shí)或你拿起話(huà)機準備打電話(huà)時(shí)，電視機自動(dòng)靜音。利用Zigbee技術(shù)你還可以做更多的事，例如你家里的每一個(gè)成員都可以有一個(gè)私人的電子輪廓(它可能是一個(gè)小小的符合 Zigbee標準的器件)，其他電器都可以通過(guò)檢測此輪廓而有所反應?，F在，假如附近沒(méi)有其他輪廓或者你的輪廓具有最高優(yōu)先級，那么家里的燈光、溫度、音樂(lè )、電視節目和網(wǎng)站都將自動(dòng)按照你的喜好自動(dòng)設置。如果把你的私人輪廓放在你的口袋里，你還可以把自動(dòng)化帶到室外或你的辦公室里。為了讓你的輪廓達到上述效果，你并不需要完成復雜的配置，因為你的輪廓可以通過(guò)自學(xué)程序自動(dòng)構成。

圖1給出了在家庭網(wǎng)絡(luò )中近距離無(wú)線(xiàn)通信的位置。家庭網(wǎng)絡(luò )通過(guò)家庭網(wǎng)關(guān)與電信網(wǎng)絡(luò )相結合，可以讓您使用手機、電話(huà)或互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)隨地了解到家中出現的任何狀況，對家中的電器進(jìn)行遠程控制和操作。

當前的高級家庭自動(dòng)化系統要求電器智能元件具備超低功耗特性、協(xié)同工作能力和網(wǎng)絡(luò )功能．家庭自動(dòng)化成為Zigbee技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵應用，應該歸功于 Zigbee的低功耗、互操作功能。飛思卡爾的解決方案是Zigbee兼容，并為iTRONIC系統等產(chǎn)品提供與住宅中的其它設備互操作的功能。使用iTRONIC家庭自動(dòng)化系統，房主能夠通過(guò)電話(huà)或互聯(lián)網(wǎng)遠程控制家庭裝置的諸多功能。iTRONIC系統可以節約能源，還能管理一些日常預定任務(wù)，包括運行水池水泵和灌溉系統、檢查和調節溫度和照明系統。iRONIC系統可以通過(guò)電話(huà)、短消息(SMS)和網(wǎng)絡(luò )向房主發(fā)出關(guān)于入侵、煙火探測、告警狀態(tài)的通知，從而將家庭安全性提升到一個(gè)新的水平。Zigbee的另一優(yōu)勢在于該類(lèi)產(chǎn)品可以聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)還具有高可靠及高安全等特性。Zigbee 網(wǎng)絡(luò )可在煙霧探測器和其它系統間進(jìn)行信號路由。因此，發(fā)生火災時(shí)，某一個(gè)煙霧傳感器的報警會(huì )觸發(fā)整個(gè)樓宇內其它煙霧傳感器的報警，同時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟灑水系統和應急燈；大廈管理人員還能迅速知曉哪里是火災源頭。

美國伊頓(Eaton)推出了采用近距離無(wú)線(xiàn)通信標準Zigbee的家用傳感器產(chǎn)品“HomeHeartbeat”。Home Heartbeat主要通過(guò)提示用戶(hù)家中的電器產(chǎn)品、門(mén)窗等的狀態(tài)來(lái)確保安全。比如，可以在出門(mén)前確認家中的窗戶(hù)是否已全部關(guān)好，或者咖啡機等電器是否已經(jīng)關(guān)閉等。HomeHeartbeat由傳感器、存儲信息的“Base Station”和通過(guò)液晶屏顯示信息的便攜式“HomeKey” 組成，均具備基于 Zigbee的通信功能。傳感器方面，備有用于檢測管道漏水、確認門(mén)窗狀態(tài)以及電源開(kāi)關(guān)狀態(tài)的產(chǎn)品。為了便于用戶(hù)單手操作，Home Key 采用了可用大拇指滾動(dòng)畫(huà)面的設計。另外，Home Key還具有網(wǎng)絡(luò )接入設備認證功能。在初次使用時(shí)，用戶(hù)只要將HomeKey插入Base Station后，再將HomeKey插入設置在家中各處的傳感器，即可構成網(wǎng)絡(luò )。

韓國最大的電信公司SKTelecom公司在2005年 10月推出新的數字智能家庭服務(wù)，其核心的技術(shù)為 Ember公司提供的Zigbee無(wú)線(xiàn)技術(shù)。該服務(wù)可以使用戶(hù)采用手機、互聯(lián)網(wǎng)遙控家庭設備。第一階段，數字家庭服務(wù)將提供Ember公司無(wú)線(xiàn)設備、傳感器和服務(wù)，用于監視和控制家用設備、電燈、煙霧探測器、防盜探測器、室溫控制器、氣體閥門(mén)和電子門(mén)鎖，所有連接通過(guò)基于Zigbee技術(shù)的網(wǎng)關(guān)無(wú)線(xiàn)連接到互聯(lián)網(wǎng)。用戶(hù)可以通過(guò)遠程或在家內采用SKTelecom公司的24x7 家庭監控服務(wù)監測和控制這些設備。

5 結束語(yǔ)

家庭內部通常地理范圍較小，而無(wú)線(xiàn)通信具有無(wú)需進(jìn)行鋪線(xiàn)等有線(xiàn)通信所不具備的優(yōu)勢，因此家庭網(wǎng)絡(luò )中的聯(lián)網(wǎng)非常適合通過(guò)近距離無(wú)線(xiàn)通信來(lái)實(shí)現。 Zigbee技術(shù)具備的超低功耗特性、協(xié)同工作能力和網(wǎng)絡(luò )功能使得它相當適合擔當家庭自動(dòng)化領(lǐng)域中的主要角色。Zigbee在家庭網(wǎng)絡(luò )中起到的作用主要表現在以下4個(gè)方面：

(1)控制

●享受靈活的管理方式，你可以從家里的任何地方來(lái)控制電燈、暖氣、空調系統；

●多個(gè)家庭系統的自動(dòng)控制，使你的生活更加節能、方便、安全。

(2)節能

●獲取詳盡的電、水、煤氣使用數據；

●嵌入的智能系統能夠優(yōu)化對自然資源的消耗。

(3)便利

●不需布線(xiàn)就可以安裝、升級網(wǎng)絡(luò )化的家庭控制系統；

●從一個(gè)單一控制遠端就可以配置和運行多個(gè)系統。

(4)安全

●安裝方便的無(wú)線(xiàn)傳感器能夠在多種環(huán)境中進(jìn)行監控；

●檢測到異常事件時(shí)能自動(dòng)接收到系統提示。

中國的家用無(wú)線(xiàn)自動(dòng)控制系統市場(chǎng)正在興起，而 Zigbee將在其中扮演重要角色。Zigbee實(shí)現的智能家庭將使我們的生活更加節能、方便、安全、舒適?？梢灶A見(jiàn)在不遠的將來(lái)，隨著(zhù)科技的進(jìn)步，在“無(wú)線(xiàn)著(zhù)你的無(wú)限”，人們的生活方式將發(fā)生更大的變革。

參考文獻

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