Zigbee實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)，超幀包括活躍(Active)和非活躍(Inactive)兩部分。在非活躍部分，設(shè)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(jìng)爭(zhēng)期和非競(jìng)爭(zhēng)期，競(jìng)爭(zhēng)期提供給以CSMA-CA方式接人的設(shè)備使用，非競(jìng)爭(zhēng)期由若干保障時(shí)隙組成，提供給某些需要保留一定數(shù)據(jù)帶寬的設(shè)備。這種超幀結(jié)構(gòu)體現(xiàn)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(shè)備之間收發(fā)信機(jī)的開(kāi)通時(shí)間，在無(wú)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)使它們處于休眠狀態(tài)，從而大大節(jié)省了功率開(kāi)支。

Zigbee設(shè)備分為全功能設(shè)備和精簡(jiǎn)功能設(shè)備，精簡(jiǎn)功能設(shè)備相對(duì)全功能設(shè)備協(xié)議棧簡(jiǎn)單并且內(nèi)存更小，只能和某個(gè)全功能設(shè)備進(jìn)行交互。而全功能設(shè)備具有完備的IEEE 802.15.4協(xié)議功能，能與其傳輸范圍內(nèi)的任何節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互。兩種設(shè)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(jiān)測(cè)和控制應(yīng)用的開(kāi)放無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。Zigbee采用網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò) (MeshNetwork)分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可提供多條傳輸路徑，故能提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和擴(kuò)展性。網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的自我修復(fù)能力同時(shí)能使Zigbee網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠，亦即網(wǎng)絡(luò)只要包含足夠的路由器節(jié)點(diǎn)，就算某個(gè)路由器節(jié)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(shù)據(jù)仍能經(jīng)由其它路徑抵達(dá)目的地，Zigbee網(wǎng)絡(luò)即可穩(wěn)定工作。

Zigbee技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)包括：

(1)低功耗，省電：由于Zigbee傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量相對(duì)少，因而收發(fā)信息的時(shí)間少；另外，Zigbee 設(shè)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(xù)幾個(gè)月到幾年；即使是電源供電條件下其功耗也遠(yuǎn)遠(yuǎn)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)的媒體訪問(wèn)控制協(xié)議以及應(yīng)答式通信機(jī)制，每次數(shù)據(jù)發(fā)送成功時(shí)都由接收方確認(rèn)收到，沒(méi)有得到確認(rèn)的數(shù)據(jù)說(shuō)明發(fā)生了碰撞，可進(jìn)行重傳。這種機(jī)制大大提高了通信的可靠度。

(3)網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)充性：Zigbee設(shè)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(guī)?？蛇_(dá)到6.5萬(wàn)個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)；另外， Zigbee網(wǎng)絡(luò)采用自組織網(wǎng)絡(luò)(AdHoeNetwork)的結(jié)構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)的組建和維護(hù)上都具有相當(dāng)大的靈活度，因而Zigbee在網(wǎng)絡(luò)上的優(yōu)勢(shì)不容忽視。

(4)架構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，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(gòu)買(mǎi)價(jià)格已低于每塊3美元。

Zigbee技術(shù)可以應(yīng)用到醫(yī)療衛(wèi)生中的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)病人身體狀況、家庭自動(dòng)化中的照明設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、門(mén)禁系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，另外在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也有很廣泛的應(yīng)用，如工業(yè)中的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理，農(nóng)業(yè)中自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的遠(yuǎn)程控制設(shè)備進(jìn)行播種。

3 Zigbee聯(lián)盟

Zigbee聯(lián)盟負(fù)責(zé)制訂Zigbee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層、安全管理、應(yīng)用層規(guī)范以及互通性測(cè)試。Zigbee聯(lián)盟于 2002年8月由Honeywell，Mitsubishi，Motorola．Philips 及Invensys共同成立。其目標(biāo)是將無(wú)線智能系統(tǒng)植入到日常生活的設(shè)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(yīng)用中去，這些產(chǎn)品和應(yīng)用涉及到世界范圍的消費(fèi)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(jiān)控應(yīng)用的國(guó)際無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。

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(tǒng)架構(gòu)組(Architecture)、應(yīng)用框架組 (Application Framework)、網(wǎng)絡(luò)組(Network)、安全組 (Security)、認(rèn)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(yīng)用層規(guī)范。

(2)提供互通和一致性測(cè)試規(guī)范。

(3)在全球范圍內(nèi)推廣Zigbee品牌、建立市場(chǎng)認(rèn)知度。

(4)負(fù)責(zé)Zigbee技術(shù)的演進(jìn)。

zigbee聯(lián)盟的應(yīng)用方向定位于：家庭自動(dòng)化 (HomeAutomation)、樓宇自動(dòng)化(CommercialBuilding Automation)、工農(nóng)業(yè)監(jiān)控(IndustrialPlantMonitor)、傳感器應(yīng)用(Wireless Sensor Applications)、電信應(yīng)用 (TelecomApplications)、其它監(jiān)控領(lǐng)域(醫(yī)療、消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)外設(shè)等)。

Zigbee聯(lián)盟在2004年12月正式推出Zigbee 1.0 版本標(biāo)準(zhǔn)。2006年10月發(fā)布其增強(qiáng)版本“Zig bee-2006 Specifications”，主要面向家庭應(yīng)用環(huán)境。 Zigbee聯(lián)盟于2008年1月發(fā)布了最新的版本規(guī)范，增加了面向商業(yè)應(yīng)用環(huán)境的協(xié)議棧模型，在技術(shù)上除了對(duì)現(xiàn)有技術(shù)加以完備和改進(jìn)以外，還增加了很多旨在增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)靈活性及擴(kuò)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(nèi)部移動(dòng)性(IntraPAN Portability)、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)張的動(dòng)態(tài)作用機(jī)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(yīng)用

家庭內(nèi)部通常地理范圍較小，而無(wú)線通信具有無(wú)需進(jìn)行鋪線等有線通信所不具備的優(yōu)勢(shì)，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)線通信來(lái)實(shí)現(xiàn)。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(yīng)用。有了Zigbee之后，盡管你家里的電器來(lái)自不同廠家，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(dāng)你打開(kāi)電視機(jī)時(shí)，燈光自動(dòng)減弱；當(dāng)電話鈴響起時(shí)或你拿起話機(jī)準(zhǔn)備打電話時(shí)，電視機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的器件)，其他電器都可以通過(guò)檢測(cè)此輪廓而有所反應(yīng)?，F(xiàn)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(jí)，那么家里的燈光、溫度、音樂(lè)、電視節(jié)目和網(wǎng)站都將自動(dòng)按照你的喜好自動(dòng)設(shè)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(dá)到上述效果，你并不需要完成復(fù)雜的配置，因?yàn)槟愕妮喞梢酝ㄟ^(guò)自學(xué)程序自動(dòng)構(gòu)成。

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

當(dāng)前的高級(jí)家庭自動(dòng)化系統(tǒng)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(yīng)用，應(yīng)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(tǒng)等產(chǎn)品提供與住宅中的其它設(shè)備互操作的功能。使用iTRONIC家庭自動(dòng)化系統(tǒng)，房主能夠通過(guò)電話或互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制家庭裝置的諸多功能。iTRONIC系統(tǒng)可以節(jié)約能源，還能管理一些日常預(yù)定任務(wù)，包括運(yùn)行水池水泵和灌溉系統(tǒng)、檢查和調(diào)節(jié)溫度和照明系統(tǒng)。iRONIC系統(tǒng)可以通過(guò)電話、短消息(SMS)和網(wǎng)絡(luò)向房主發(fā)出關(guān)于入侵、煙火探測(cè)、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(shì)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(cè)器和其它系統(tǒng)間進(jìn)行信號(hào)路由。因此，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，某一個(gè)煙霧傳感器的報(bào)警會(huì)觸發(fā)整個(gè)樓宇內(nèi)其它煙霧傳感器的報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟灑水系統(tǒng)和應(yīng)急燈；大廈管理人員還能迅速知曉哪里是火災(zāi)源頭。

美國(guó)伊頓(Eaton)推出了采用近距離無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)家中的窗戶(hù)是否已全部關(guān)好，或者咖啡機(jī)等電器是否已經(jīng)關(guān)閉等。HomeHeartbeat由傳感器、存儲(chǔ)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(cè)管道漏水、確認(rèn)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(shè)計(jì)。另外，Home Key還具有網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備認(rèn)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(shè)置在家中各處的傳感器，即可構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。

韓國(guó)最大的電信公司SKTelecom公司在2005年 10月推出新的數(shù)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)線技術(shù)。該服務(wù)可以使用戶(hù)采用手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)遙控家庭設(shè)備。第一階段，數(shù)字家庭服務(wù)將提供Ember公司無(wú)線設(shè)備、傳感器和服務(wù)，用于監(jiān)視和控制家用設(shè)備、電燈、煙霧探測(cè)器、防盜探測(cè)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)線連接到互聯(lián)網(wǎng)。用戶(hù)可以通過(guò)遠(yuǎn)程或在家內(nèi)采用SKTelecom公司的24x7 家庭監(jiān)控服務(wù)監(jiān)測(cè)和控制這些設(shè)備。

5 結(jié)束語(yǔ)

家庭內(nèi)部通常地理范圍較小，而無(wú)線通信具有無(wú)需進(jìn)行鋪線等有線通信所不具備的優(yōu)勢(shì)，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)線通信來(lái)實(shí)現(xiàn)。 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(dāng)適合擔(dān)當(dāng)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(xiàn)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(diào)系統(tǒng)；

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

(2)節(jié)能

●獲取詳盡的電、水、煤氣使用數(shù)據(jù)；

●嵌入的智能系統(tǒng)能夠優(yōu)化對(duì)自然資源的消耗。

(3)便利

●不需布線就可以安裝、升級(jí)網(wǎng)絡(luò)化的家庭控制系統(tǒng)；

●從一個(gè)單一控制遠(yuǎn)端就可以配置和運(yùn)行多個(gè)系統(tǒng)。

(4)安全

●安裝方便的無(wú)線傳感器能夠在多種環(huán)境中進(jìn)行監(jiān)控；

●檢測(cè)到異常事件時(shí)能自動(dòng)接收到系統(tǒng)提示。

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

參考文獻(xiàn)

1 中國(guó)安防網(wǎng)htlp：//www.c-ps net/trade/content/2007/8/ 5574.html

2 華強(qiáng)電子世界網(wǎng)

3 上海情報(bào)服務(wù)平臺(tái)http：//www.istis.sh.cn/list/list/aspx id=1988