ZigBee 技術(shù)及其在樓宇自動(dòng)化系統中

隨著(zhù)計算機技術(shù)、控制技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，樓宇自動(dòng)化工業(yè)在過(guò)去的十年中獲得了巨大的發(fā)展，遵循BACnet、LonTalk 和EIB（European
Installation Bus，歐洲設備安裝總線(xiàn)協(xié)議）這些標準化通信協(xié)議的樓控產(chǎn)品在行業(yè)中占據著(zhù)主導地位。使用這些通信協(xié)議的樓宇自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )所采用的通信傳輸介質(zhì)（比如雙絞線(xiàn)、同軸電纜和光纜）通常都是有線(xiàn)的，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)有沒(méi)有可能在樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域占有一席之地并得到廣泛應用呢?
和采用有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的通信技術(shù)的樓控產(chǎn)品相比較，無(wú)線(xiàn)解決方案最吸引人的地方是安裝布置的靈活性、低廉的安裝費用和對樓宇自動(dòng)化系統進(jìn)行重新布置時(shí)可移動(dòng)性。盡管無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和有線(xiàn)相比較有明顯的優(yōu)勢，而且蜂窩無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信技術(shù)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)和藍牙技術(shù)已經(jīng)在市場(chǎng)上獲得了巨大的成功，但無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域應用相對還是很少。這主要是因為目前沒(méi)有一項無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)適合在樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域進(jìn)行廣泛的推廣，而且現有的一些針對樓控領(lǐng)域無(wú)線(xiàn)通信產(chǎn)品的價(jià)格偏高，導致無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在樓控領(lǐng)域的應用停滯不前。

隨著(zhù)近年來(lái)人類(lèi)在微電子機械系統（MEMS）、無(wú)線(xiàn)通信、數字電子方面取得的巨大成就，使得發(fā)展低成本、低功耗、小體積、短通信距離的多功能傳感器成為可能。近期所涌現出來(lái)的一項新的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)—— ZigBee 技術(shù)將改變這種狀況。ZigBee 技術(shù)產(chǎn)品以其低成本、低功耗、低傳輸速率、優(yōu)秀的組網(wǎng)能力，被廣泛認為將在未來(lái)的幾年中對樓宇自動(dòng)化工業(yè)產(chǎn)生重大的影響。

1 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在樓宇自動(dòng)化系統應用的優(yōu)越性
無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是利用電磁波在空氣中發(fā)送和接收數據，而無(wú)需線(xiàn)纜介質(zhì)。在樓宇自動(dòng)化系統中采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是對系統有線(xiàn)組網(wǎng)方式的一種補充、擴展甚至是替代。無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)使得樓宇自動(dòng)化設備具有可移動(dòng)性，它能快速方便地解決使用有線(xiàn)方式所不易實(shí)現的網(wǎng)絡(luò )聯(lián)通問(wèn)題。與有線(xiàn)傳輸方式相比較，在樓宇自動(dòng)化系統中采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)具有低廉的安裝費用、靈活性和可移動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)，以下是對其的詳細闡述：
（1 ）通常在智能建筑的網(wǎng)絡(luò )建設中，施工周期最長(cháng)、對周邊環(huán)境影響往往是綜合布線(xiàn)系統，采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)最大的優(yōu)勢就是可以免去樓宇自動(dòng)化系統中網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)的大部分工作量。
（2 ）在采用有線(xiàn)傳輸方式的樓宇自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )中，網(wǎng)絡(luò )設備的安放位置通常受網(wǎng)絡(luò )信息點(diǎn)位置的限制。但是一旦無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )建成后，在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)的信號覆蓋區域內任何一個(gè)位置都可以接入網(wǎng)絡(luò )。
（3 ）由于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )缺少靈活性，這就要求樓宇自動(dòng)化系統的網(wǎng)絡(luò )規劃者盡可能地考慮未來(lái)發(fā)展的需要，這往往需要預設大量利用率較低的信息點(diǎn)；而一旦網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展超出了設計規劃，則需要對網(wǎng)絡(luò )的布局進(jìn)行重新的考慮，而無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以避免或減少以上情況的發(fā)生。
（4 ）假如對樓宇自動(dòng)化系統重新進(jìn)行改造，對于有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，消除原有的舊系統和對新系統進(jìn)行新的布置將帶來(lái)龐大的工程費用，而無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )則相反將會(huì )帶來(lái)巨大收益。

2 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)目前在樓宇自動(dòng)化系統應用所面臨的問(wèn)題
盡管在樓宇自動(dòng)化系統中采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)具有有線(xiàn)無(wú)可比擬的優(yōu)勢，但目前采用有線(xiàn)傳輸介質(zhì)的樓控產(chǎn)品仍然占據著(zhù)絕對的主導地位，人們在進(jìn)行樓宇自動(dòng)化系統設計時(shí)，很少會(huì )考慮到采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。這主要是因為目前針對樓宇自動(dòng)化系統的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品尚面臨著(zhù)成本、可靠性、適用性和協(xié)議的標準化等一系列問(wèn)題。

另外樓宇自動(dòng)化系統屬于控制網(wǎng)絡(luò )的一種，控制網(wǎng)絡(luò )肩負的特殊任務(wù)和工作環(huán)境，使它具有許多不同于普通計算機網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)?？刂凭W(wǎng)絡(luò )以具有通信能力的傳感器、執行器、控制器作為網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，并將其連接成開(kāi)放式、數字化、實(shí)現多節點(diǎn)通信，完成監測控制任務(wù)的網(wǎng)絡(luò )系統。以下是控制網(wǎng)絡(luò )所需要具備的主要特點(diǎn)：
◆ 數據傳輸量相對較??；
◆ 傳輸數率相對較低，多為短幀傳送；
◆ 通信傳輸的實(shí)時(shí)性強；
◆ 抗干擾能力強，可靠性高。

在選擇合適的應用于樓宇自動(dòng)化系統的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)時(shí)，必須對以上的內容進(jìn)行綜合考慮。目前無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域的應用探討比較多的主要有無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)、藍牙技術(shù)和ZigBee技術(shù)。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)（WLAN－WirelessLocal area network）是一種借助無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)取代以往有線(xiàn)布線(xiàn)方式構成局域網(wǎng)的新手段，可提供傳統有線(xiàn)局域網(wǎng)的所有功能，它是計算機網(wǎng)絡(luò )與無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結合的產(chǎn)物。藍牙技術(shù)是一種短距離無(wú)線(xiàn)連接的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，目的是取代現有的PC、打印機、傳真機和移動(dòng)電話(huà)等設備上的有線(xiàn)接口。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)和藍牙技術(shù)都不能夠完全具備適合在樓宇自動(dòng)化系統應用的特點(diǎn)。

ZigBee技術(shù)是建立在IEEE（Institute of Electricaland Electronics Engineers，美國電氣電子工程師學(xué)會(huì )）802.15.4 基礎上的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，它是一個(gè)短距離、低功耗協(xié)議，特別適合設計應用在小型的建筑物自動(dòng)化設備中，比如溫度自動(dòng)調節裝置、燈光控制設備、環(huán)境傳感器等。ZigBee
技術(shù)能夠在低功耗下提供短距離、低速的數據傳輸，使用普通干電池的ZigBee 無(wú)線(xiàn)傳感器能夠持續運行2～3 年的時(shí)間。另外ZigBee 技術(shù)優(yōu)秀的組網(wǎng)能力使得它和其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在樓宇自動(dòng)化系統中的應用相比尤其具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢。

3 ZigBee 技術(shù)分析
ZigBee 技術(shù)是由一個(gè)企業(yè)之間的團體——ZigBee聯(lián)盟（ZigBee Alliance）負責制定和推廣。ZigBee 聯(lián)盟由霍尼韋爾（Honeywell）、英維思
（Invensys）、三菱電氣（Mitsubishi Electric）、三星（Samsung）、摩托羅拉、飛利浦（Philips）和Ember七家國際著(zhù)名公司作為發(fā)起方，截至到2004 年11月該聯(lián)盟所參加的企業(yè)成員已經(jīng)超過(guò)100 家，均為在行業(yè)中有重大影響的企業(yè)。

ZigBee 技術(shù)建立在IEEE802.15.4 標準技術(shù)之上，IEEE802.15.4 是一個(gè)支持低功耗、低數據傳輸率的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準，主要是設計用來(lái)進(jìn)行遠程
監測與控制的應用。在2003 年的5 月，IEEE802.15.4 標準得到了正式批準。IEEE802.15.4 是一個(gè)簡(jiǎn)單的但功能卻十分強大的數據包協(xié)議，它通過(guò)
確認、錯誤檢測、區分優(yōu)先次序的通信、D S S S（Direct Sequence Spread Spectrum－直接序列擴頻技術(shù)，它具有改變頻率消除干擾的能力）和用
戶(hù)選擇安全等級等技術(shù)來(lái)提供無(wú)線(xiàn)通信的高可靠性。IEEE802.15.4 標準同樣只規定了開(kāi)放式系統互聯(lián)參考模型中的物理層和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)子層，其中物理層定義了三個(gè)許可的頻率波段，它們分別是2.4GHz（最高傳輸速率250kbps）、915MHz（最高傳輸速率40kbps）和868MHz（最高傳輸速率20kbps）。
ZigBee 技術(shù)在IEEE802.15.4 所定義的基礎上又增加了網(wǎng)絡(luò )層、安全層和應用輪廓層（Application Profiles）。ZigBee支持星型、網(wǎng)狀和樹(shù)簇狀的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。在每一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò )中最多可以擁有65535 個(gè)節點(diǎn)，每個(gè)節點(diǎn)的地址由ZigBee的網(wǎng)絡(luò )協(xié)調節點(diǎn)（Network Coordinator）負
責分配。另外每個(gè)節點(diǎn)的傳輸范圍在30～100m 之間，而且傳輸的距離還可以通過(guò)使用功率放大器和多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構得到延伸。

ZigBee 技術(shù)在樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展和應用前景，首先ZigBee 技術(shù)是一項低成本、低功耗的無(wú)線(xiàn)解決方案，采用ZigBee 技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器使用普通的干電池即可工作2 ～3 年的時(shí)間，而ZigBee 芯片的價(jià)格將在1～2 年時(shí)間內降低到2美元左右；其次ZigBee技術(shù)支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構，這使得ZigBee 網(wǎng)絡(luò )具有自組織、自修復的能力，提高了網(wǎng)絡(luò )的可靠性；第三，ZigBee 網(wǎng)絡(luò )支持數量眾多的節點(diǎn)，這點(diǎn)對于大型的樓宇自動(dòng)化系統中需要大量的傳感器和控制器的場(chǎng)合是非常重要的。

4 ZigBee 技術(shù)在樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域的應用前景
根據美國著(zhù)名的市場(chǎng)研究機構ABI Research[1]預測：內建ZigBee 無(wú)線(xiàn)裝置的產(chǎn)品將從2005 年的100 萬(wàn)臺發(fā)展到2006 年的8000 萬(wàn)臺ZigBee 巨大的發(fā)展空間在于其技術(shù)上明顯的優(yōu)勢以及市場(chǎng)定位的明確。目前國際上樓宇自控方面專(zhuān)家基本上形成了共識，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在樓宇自動(dòng)化的應用將不可阻擋[ 2 ]。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將不僅僅是對有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )有益的補充、擴充，而可能是替代作用。

在使用ZigBee 技術(shù)的樓宇自動(dòng)化系統中，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的框架是網(wǎng)狀結構， 使用一定數量的ZigBee路由器節點(diǎn)即可覆蓋整個(gè)的建筑內部區域，而且節點(diǎn)數越多，系統將越可靠。另外由于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構具有自配置的功能，增加新的節點(diǎn)時(shí)或重新對節點(diǎn)進(jìn)行布置時(shí)將十分方便。而無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的邊緣是星型結構，大量?jì)冉╖igBee 無(wú)線(xiàn)裝置的傳感器或者執行器被接入網(wǎng)絡(luò )，這些傳感器使用普通的干電池就可以工作2 ～3 年時(shí)間。盡管ZigBee技術(shù)有無(wú)可比擬的優(yōu)勢，但其在樓宇自動(dòng)化的應用還面臨著(zhù)和BACnet、LonTalk 以及EIB 這些主要采用有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的國際化標準化通信協(xié)議相融合的問(wèn)題，目前采用這些通信協(xié)議的樓控產(chǎn)品已經(jīng)十分成熟，而且在樓控領(lǐng)域占據著(zhù)主導地位。ZigBee 技術(shù)的融入比較簡(jiǎn)單的做法是在ZigBee網(wǎng)絡(luò )和這些異種網(wǎng)絡(luò )之間建立相關(guān)網(wǎng)關(guān)作為它們之間的橋梁，那么ZigBee 將是這些有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的有益補充，屆時(shí)整個(gè)樓宇自動(dòng)化系統將出現無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )共存的局面，從而獲得較高的經(jīng)濟效益。更為完善的做法是在ZigBee 技術(shù)的基礎上建立與BACnet、LonTalk通信協(xié)議相類(lèi)似的適用于樓宇自動(dòng)化領(lǐng)域的整套無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，這種情況下ZigBee 將能夠和這些通信協(xié)議相并駕齊驅?zhuān)⒂锌赡茏罱K替代這些主要采用有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的通信協(xié)議。

5 結論
隨著(zhù)我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，智能建筑的數量將會(huì )越來(lái)越多，選擇適合中國國情的樓宇自動(dòng)化技術(shù)及產(chǎn)品是人們迫切需要關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題，但目前我國智能建筑中所使用的樓控系統及產(chǎn)品大多被國外的大公司所壟斷，ZigBee 技術(shù)的出現將給我國開(kāi)發(fā)自主的具有世界先進(jìn)水平的樓宇自動(dòng)化系統及產(chǎn)品提供一個(gè)嶄新的契機。