ZigBee 控制家庭網(wǎng)絡(luò )的標準

電燈開(kāi)關(guān)的啟發(fā)

有人要求發(fā)明者發(fā)明下一項重大技術(shù)，但我們實(shí)際上需要的是更好的電燈開(kāi)關(guān)。想想普通的電燈開(kāi)關(guān)是如何工作的: 電燈本身可能裝在天花板中央，但如果用戶(hù)想站在門(mén)口就能開(kāi)燈，還得把線(xiàn)拉到門(mén)口。

這都是上個(gè)世紀的事！如今，有了無(wú)線(xiàn)技術(shù)，用戶(hù)就可以使用用雙面膠就能貼在墻上的開(kāi)關(guān)。這樣一來(lái)，如果用戶(hù)想把開(kāi)關(guān)位置放低，以便坐在輪椅上的客人能夠得著(zhù)，那么只要把它撕下來(lái)，往下移，再貼回到墻上即可。

幾十年來(lái)，建筑物就有了有線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò ); 自馬可尼時(shí)代以來(lái)，電氣工程師們就一直試圖把有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )變成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。不過(guò)，直到1998年，現已解散的行業(yè)組織HomeRF工作組才開(kāi)始設計可以使用可粘貼電燈開(kāi)關(guān)這些裝置的一種系統。五六種現有的無(wú)線(xiàn)標準由于諸多原因并不勝任這項工作，于是研究人員開(kāi)始設計新的標準。

2000年，IEEE針對無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)（WPAN）啟動(dòng)了自己的項目: IEEE 802.15.4。隨之獲得的標準就是ZigBee 1.0，它于2003年發(fā)布，今年初得到了更新。這個(gè)名字通常會(huì )讓人想到蜜蜂引導同伴飛向鮮花的之字形舞——這形象地描述了網(wǎng)絡(luò )上的設備尋找及聯(lián)系對方的方式。符合標準的產(chǎn)品預計會(huì )在一年內進(jìn)入商店。

與IEEE 802.11知名度更高的Wi-Fi標準一樣，ZigBee也是一項局域網(wǎng)技術(shù)，它可以為家庭提供無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。不過(guò)在其他方面，兩項標準各不相同。Wi-Fi耗用大量功率來(lái)提供大量的高速數據流，而ZigBee幾乎不耗用什么功率; Wi-Fi使用一個(gè)中央路由器來(lái)提供覆蓋服務(wù)，而ZigBee利用一起加入網(wǎng)絡(luò )的諸多小節點(diǎn)共同提供覆蓋服務(wù)。

這完全與兩者預期的應用不同有關(guān)。ZigBee用來(lái)連接的是電燈開(kāi)關(guān)，不是多媒體娛樂(lè )中心，所以雖然數據速率只有Wi-Fi的五分之一，照樣應付得過(guò)去。而且在ZigBee中，一些節點(diǎn)會(huì )放在地板下方及其他難以觸及的地方，所以即使它們耗用的功率極小，也需要配備電池。一個(gè)ZigBee控制點(diǎn)使用兩節AA堿電池就可以用上好幾年。

應用的拓展

ZigBee的發(fā)展前景絕不僅僅局限于電燈開(kāi)關(guān)。能夠改造家居的傳感器技術(shù)問(wèn)世已有數年。直到現在，業(yè)界缺少的只是一種可以使用這些技術(shù)經(jīng)濟可行的方式。

譬如說(shuō)，用戶(hù)家窗戶(hù)和門(mén)上安置的傳感器能夠以無(wú)線(xiàn)方式每分鐘向中央安全控制器報告幾次“一切正?！钡那闆r——直到幾年前，只有像博物館這些地方才可能享有這種安全級別。每間房子里的傳感器能夠監控有沒(méi)有人、溫度、濕度和光線(xiàn)亮度，然后把數據發(fā)送到暖通空調控制器?？刂破飨炔槊髂硞€(gè)房間里面有沒(méi)有人; 只有查明有人后，才決定拉上還是放下遮光窗簾、打開(kāi)還是關(guān)上調節氣門(mén)，或者全速還是減速啟動(dòng)暖通空調系統?？梢园牙锩嬗腥说姆块g維持在穩定的舒適區。

與此同時(shí)，家里的貓門(mén)會(huì )檢查你家寵物身上的射頻識別（RFID）標記，讓小貓回到家里，而把小區的其他小動(dòng)物拒之門(mén)外。菜園里面的傳感器會(huì )不斷檢查土壤的濕度和濕度、光照強度以及空氣溫度，需要時(shí)就打開(kāi)噴灑裝置。

完成部分這些任務(wù)的控制系統在辦公大樓和工廠(chǎng)已存在了數年。大樓內到處是線(xiàn)纜，把成本高昂的傳感器和中央服務(wù)器連接起來(lái)。不過(guò)，重新為家居布線(xiàn)以實(shí)現這些功能是荒謬的想法——施工人員得鉆孔、爬上閣樓或者在爬行空隙里鉆行。還往往要鑿開(kāi)墻壁。布線(xiàn)工作完成后，還要開(kāi)始大規模的表面修補工作。

雖然線(xiàn)纜本身每米的成本只有0.33美元，但為控制網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)的工作量往往每平方米樓面面積就需要22美元。雖然為新房子構建這種系統的成本只有舊房翻新的一半，但還是不便宜。一般的新房子需要大約300個(gè)傳感器節點(diǎn); 光結構性布線(xiàn)每個(gè)房間就需要350美元左右。

用戶(hù)可以使用房子現有的交流電線(xiàn)纜，從而設法避免安裝成本。有些系統就具有這種功能。不過(guò)，用戶(hù)只能夠得著(zhù)連接有電氣系統的那些地方; 只有這些地方離控制裝置非常近、防止電源線(xiàn)上的噪聲淹沒(méi)信號，才可以使用它們。在ZigBee網(wǎng)絡(luò )中，信號可以可靠地收到，不會(huì )受到難以預測的射頻傳播和吸收等變數的影響; 甚至可以收到來(lái)自車(chē)庫窗戶(hù)和院子里的土壤傳感器等邊遠位置的信號。

ZigBee的優(yōu)點(diǎn)

ZigBee節點(diǎn)是一種簡(jiǎn)單的東西。其核心是多信道無(wú)線(xiàn)電裝置和微控制器，它們都在一塊硅片上，裝在如同小指指甲大小的塑料封裝體里面。成品里面當然不止ZigBee芯片。電燈開(kāi)關(guān)等一些裝置只有觸發(fā)器和面板，而另一些裝置如恒溫器會(huì )有另外的繼電器、液晶顯示屏及其他元件。

ZigBee網(wǎng)絡(luò )以自主方式組建而成，所以房主安裝了第二個(gè)設備后，它會(huì )尋找第一個(gè)設備，第一個(gè)設備可能是網(wǎng)絡(luò )的初始控制開(kāi)關(guān)。第三個(gè)設備安裝后，它會(huì )尋找頭兩個(gè)節點(diǎn)中離自己比較近的那一個(gè)。默認情況下，第一個(gè)設備之后的所有設備必須通過(guò)驗證，才被允許使用現有設備作為通信“骨干”來(lái)回轉發(fā)信號。

圖1 與硬幣大小相仿的ZigBee模塊

驗證過(guò)程可能只需要摁一下按鈕這么簡(jiǎn)單; 但如果設備配有熒屏和鍵盤(pán)，可能比較復雜。實(shí)際上，網(wǎng)絡(luò )通常被配置成要求在添加設備之前獲得房主的許可; 就是為了防止鄰居的電燈無(wú)意中加入網(wǎng)絡(luò )。設備添加完畢，網(wǎng)絡(luò )就可以獨立詢(xún)問(wèn)這是什么設備、它能提供什么服務(wù)。

構建自己的ZigBee網(wǎng)絡(luò )

可以自行構建ZigBee網(wǎng)絡(luò )嗎？這取決于你的動(dòng)手能力有多強。要添加即撕即貼的電燈開(kāi)關(guān)，只要用具有ZigBee功能的開(kāi)關(guān)換下原來(lái)墻上的開(kāi)關(guān)，然后往墻上貼一個(gè)即撕即貼的開(kāi)關(guān)控制器。只要使用一把螺絲刀，就很容易把原來(lái)墻上的有線(xiàn)開(kāi)關(guān)升級成ZigBee開(kāi)關(guān)（記住首先切掉電源）。

接下來(lái)，你讓兩者“相互認識”: 摁一下一個(gè)開(kāi)關(guān)上的按鈕，然后迅速摁一下另一個(gè)開(kāi)關(guān)上的相應按鈕。從這一刻起，兩個(gè)開(kāi)關(guān)就可以協(xié)同工作了（最后會(huì )有本身使用ZigBee的照明裝置，但最初通過(guò)替換方式來(lái)實(shí)現。）不過(guò)，如果你想安裝在家里的窗戶(hù)和戶(hù)外門(mén)上安裝具有ZigBee功能的新鎖閂，恐怕需要請來(lái)鎖匠。

ZigBee本來(lái)就是用來(lái)在大部分時(shí)間處于睡眠狀態(tài)的設備之間不太頻繁地傳送簡(jiǎn)短信號。理論上的最大數據速率只有每秒250千比特，不過(guò)仍非?？?，足以盡量縮短傳送器或者接收器的“工作”時(shí)間; 兩個(gè)設備之間的典型通話(huà)一般只用幾毫秒，這樣傳送器可以迅速回到睡眠狀態(tài)。

ZigBee使用的頻段與Wi-Fi一樣，開(kāi)發(fā)者當中有許多是曾開(kāi)發(fā)其他標準（譬如針對Wi-Fi的802.11和針對WiMax的802.12）的同一批人。有許多免執照的頻譜可以使用，諸多802標準利用了大部分這些頻譜，其他許多技術(shù)也一樣。雖然成本效益是ZigBee的設計師考慮的重要因素，但穩健性、可靠性及在嘈雜的射頻環(huán)境中具有抗干擾性同樣很重要。

圖2 ZigBee熱點(diǎn)模塊

為這項標準設計無(wú)線(xiàn)電部分的人員當初尋求最穩健的調制方法，最后選擇了正交相移鍵控（Quadrature PSK）方法: 在過(guò)去的二十年，美國宇航局就使用同樣這項技術(shù)，與“航海者號”和“伽利略號”太空飛船及火星探測車(chē)進(jìn)行聯(lián)系。這項技術(shù)基于相移鍵控（PSK）調制方法: 無(wú)線(xiàn)電波正常振蕩的波峰和波谷突然跳過(guò)了半個(gè)周期，因而會(huì )在預計出現波谷的時(shí)候出現波峰?！安贿B續的相位跳躍”的方向表明了收到1或者0，這一不連續性極其明顯，在不適宜居住的環(huán)境也能檢測到。

正交相移鍵控則更進(jìn)一步。它可以傳送兩個(gè)比特的信息: 00、01、10或者11，從而可以在同一時(shí)間內收到多一倍的信息，而不是每次相位轉變傳送一個(gè)1或者一個(gè)0。正交相移鍵控法具有極強的適應性，不過(guò)作為一種調制方法，它很少應用于成本低廉的系統，原因是它非常復雜，而且成本很高。的確，正因為射頻硅技術(shù)在過(guò)去十年取得了進(jìn)步，才讓它得以適用于消費者系統。

ZigBee協(xié)議對網(wǎng)絡(luò )上設備進(jìn)行命名采用了64位方法——這完全足夠為加州海灘上的每粒沙子賦予一個(gè)惟一的地址。一旦設備安裝完畢，地址就被映射成本地16位網(wǎng)絡(luò )地址，那樣ZigBee網(wǎng)絡(luò )擁有的活動(dòng)設備可以超過(guò)64000個(gè)。

即使在有上千個(gè)設備的網(wǎng)絡(luò )中，它們都同時(shí)連接到網(wǎng)絡(luò )上，大多數設備上的傳感器也會(huì )在大部分時(shí)候處于睡眠狀態(tài)，只是在報告或者表明事件時(shí)才醒來(lái)。底層的分組無(wú)線(xiàn)技術(shù)確保了等待傳送的信號被成功接收，不管信道有多忙碌。因為ZigBee無(wú)線(xiàn)電裝置檢查信道每秒可超過(guò)一千次，所以它能夠避開(kāi)Wi-Fi、無(wú)繩電話(huà)和微波爐引起的帶寬擁塞。一旦它發(fā)送了數據包，就會(huì )回到睡眠狀態(tài)。

與有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的許多現有系統不同，ZigBee一開(kāi)始就旨在能夠防御黑客及其他威脅——無(wú)論來(lái)自鄰居家好奇的少年，還是在街上開(kāi)著(zhù)車(chē)、瞅準未加保護的房子試圖撬開(kāi)電子鎖的小偷。這項IEEE標準使用了高級加密標準，這是一種久經(jīng)考驗的公鑰加密方法。這種方法利用了商業(yè)廠(chǎng)商提供的成熟的安全密鑰分發(fā)和管理解決方案，這些廠(chǎng)商會(huì )添加一整套安全功能。這項技術(shù)不僅僅通過(guò)網(wǎng)絡(luò )安全傳送密鑰，還可以讓房主或者可信的廠(chǎng)商登錄到網(wǎng)絡(luò )上、添加新的傳感器，以及更新網(wǎng)絡(luò )的軟件。

ZigBee無(wú)線(xiàn)電裝置和處理器要取得成功，必須尺寸小、功耗低，但單單做到這點(diǎn)還不夠。與其他網(wǎng)絡(luò )標準一樣，它們必須與符合這項標準的其他設備兼容。不然，ZigBee永遠得不到廣泛使用，那樣制造廠(chǎng)商也就無(wú)法獲得規模經(jīng)濟。所以，行業(yè)組織 ZigBee聯(lián)盟希望提出標準遵從方面的要求及射頻兼容性方面的標準測試方法——就像IEEE 802.11有Wi-Fi聯(lián)盟、802.16有WiMax論壇那樣。

廣闊的應用前景

非營(yíng)利組織ZigBee聯(lián)盟由當初開(kāi)發(fā)基本IEEE標準的同一批人在2002年組建而成，現在它有大約200家成員公司，其中包括傳統的控制系統生產(chǎn)商（如霍尼韋爾、約翰遜控制公司和西門(mén)子）、新的控制系統公司（鹽湖城的Control4 Corp.）、針對特定行業(yè)的公司（丹麥的暖通空調制造商Danfoss Group Global和瑞典的鎖具生產(chǎn)商亞薩合萊）、專(zhuān)門(mén)從事ZigBee的新興公司（澳大利亞的Daintree Networks、韓國的Orange Logic和西雅圖附近的San Juan Software）以及半導體公司（飛思卡爾半導體、意法半導體和德州儀器）。

符合標準的無(wú)線(xiàn)電發(fā)送器的零售價(jià)在迅速接近1美元，而無(wú)線(xiàn)電裝置/應用處理器/內存在同一個(gè)封裝體里面的產(chǎn)品目前約為3美元。隨著(zhù)產(chǎn)量增加，這一價(jià)格會(huì )不斷下滑。

ZigBee并不是家庭控制網(wǎng)絡(luò )的惟一選擇，但諸多替代方案在某個(gè)方面遠不如它。X10也許是最常使用的替代方案，但它主要作為基于有線(xiàn)的一項技術(shù)，無(wú)線(xiàn)功能有限，用于識別每個(gè)對象的可分配的地址數量也很少——這一缺點(diǎn)通常把X10網(wǎng)絡(luò )的規模限制在16個(gè)設備。

還有藍牙，這項越來(lái)越流行的短距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)經(jīng)改造后可以在典型的居民環(huán)境支持上百個(gè)設備，至少從理論上來(lái)說(shuō)是這樣。遺憾的是，它根本無(wú)法支持由電池供電的小設備長(cháng)年使用，所以使用藍牙用于家庭控制所需的改動(dòng)其實(shí)相當于設計一項全新的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。

藍牙還存在與X10同樣的缺點(diǎn): 地址空間有限——實(shí)際上，可用于家庭控制的各種現有無(wú)線(xiàn)技術(shù)都有這個(gè)局限性。所以在藍牙家庭網(wǎng)絡(luò )上，設備只好不斷地退出網(wǎng)絡(luò )、重新加入，從而導致打開(kāi)電燈開(kāi)關(guān)與電燈發(fā)亮之間有幾秒鐘延遲。

第一批ZigBee產(chǎn)品預計會(huì )在明年出現在電子產(chǎn)品商店和家居裝修中心。據估計，即撕即貼的電燈開(kāi)關(guān)用于控制開(kāi)關(guān)裝置的售價(jià)大約20美元，用于可粘貼控制開(kāi)關(guān)裝置的售價(jià)大約15美元。眼下，這比基于X10技術(shù)的同類(lèi)裝置要便宜5美元左右——便宜了不少，但相差幅度還不是很大。

不過(guò)，由于規模經(jīng)濟及諸多廠(chǎng)商之間的競爭，這些價(jià)格會(huì )很快降下來(lái)。而ZigBee裝置的功能會(huì )比替代裝置多得多。譬如說(shuō)，能注意到有人走進(jìn)房間的運動(dòng)傳感器可以啟動(dòng)空調，打開(kāi)電燈，不管這兩個(gè)設備是由哪兩家廠(chǎng)商生產(chǎn)的。同樣，煙霧探測器能夠打開(kāi)電燈，關(guān)閉空氣處理機組，從而增加從著(zhù)火大樓逃生的機率。直到現在，這類(lèi)集成的家庭控制系統不是很難實(shí)現，就是成本高昂，要么就是兼而有之。

ZigBee技術(shù)會(huì )改變像家庭安全市場(chǎng)這些市場(chǎng)嗎？直到現在，家庭安全市場(chǎng)還是依靠專(zhuān)有、獨立的系統。專(zhuān)業(yè)安全人士很快就能夠選擇亞薩合萊的鎖閂、西門(mén)子的報警器或者霍尼韋爾的控制器嗎？這很難說(shuō)，但ZigBee至少讓這完全成為可能。

雖然我們主要討論了ZigBee在家庭的應用，但這項技術(shù)設計具備商業(yè)和行業(yè)用戶(hù)同樣所需的穩健性。這類(lèi)用戶(hù)可能會(huì )發(fā)現，只要通過(guò)更準確地控制暖通空調系統來(lái)降低能源成本，ZigBee可以收到明顯的投資回報，這比安裝新的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的成本低得多。

圖3 通過(guò)ZigBee控制玩具汽車(chē)

不過(guò)，商業(yè)和行業(yè)客戶(hù)需要一段時(shí)間才會(huì )采用ZigBee系統。因為企業(yè)網(wǎng)絡(luò )會(huì )有成千上萬(wàn)個(gè)節點(diǎn)，它們的系統將由專(zhuān)業(yè)人員來(lái)規劃、安裝及維護，就像計算機網(wǎng)絡(luò )由專(zhuān)業(yè)的信息技術(shù)人員來(lái)安裝及運行。所以，ZigBee可能會(huì )先進(jìn)入家庭，普通的房主、鎖匠或者管道工都能安裝其產(chǎn)品。

最終，你在外出時(shí)，家里的ZigBee網(wǎng)絡(luò )能與你通話(huà): 通過(guò)連接到你家的互聯(lián)網(wǎng)線(xiàn)路，或者通過(guò)向你的手機發(fā)送短消息。如果你在外出時(shí)冷空氣襲來(lái)，爬行空隙里面具有ZigBee功能的水管傳感器可以把情況告訴你; 你有可能把鑰匙留給了隔壁鄰居，到時(shí)就可以打電話(huà)過(guò)去，讓鄰居把你家的溫度調高一檔，免得家里的管道凍壞。手機本身也將內置有ZigBee技術(shù)，這樣你人在家里時(shí)或者走到外面院子時(shí)，可以直接與你家聯(lián)系，使用手機作為靈活、功能強大的遙控器。

具有ZigBee功能的家庭將減少取暖和空調費用，同時(shí)會(huì )變得更安全、更舒適，而這絕非小事。