Zigbee實現(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(shè)備使用，非競爭期由若干保障時隙組成，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，非活躍期的引入限制了設(shè)備之間收發(fā)信機的開通時間，在無數(shù)據(jù)傳輸時使它們處于休眠狀態(tài)，從而大大節(jié)省了功率開支。

Zigbee設(shè)備分為全功能設(shè)備和精簡功能設(shè)備，精簡功能設(shè)備相對全功能設(shè)備協(xié)議棧簡單并且內(nèi)存更小，只能和某個全功能設(shè)備進行交互。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)點進行交互。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)和樹型網(wǎng)絡(luò)。

Zigbee是第一種用于傳感器與制動器等監(jiān)測和控制應(yīng)用的開放無線標準。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，就算某個路由器節(jié)點發(fā)生問題，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)量相對少，因而收發(fā)信息的時間少；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：由于采用載波偵聽多點接人／沖突避免(CSMA／CA)的媒體訪問控制協(xié)議以及應(yīng)答式通信機制，每次數(shù)據(jù)發(fā)送成功時都由接收方確認收到，沒有得到確認的數(shù)據(jù)說明發(fā)生了碰撞，可進行重傳。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(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，這樣整個網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？蛇_到6.5萬個以上的節(jié)點；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(gòu)簡單，易實現(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買價格已低于每塊3美元。

Zigbee技術(shù)可以應(yīng)用到醫(yī)療衛(wèi)生中的遠程監(jiān)測病人身體狀況、家庭自動化中的照明設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、門禁系統(tǒng)的遠程控制，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)自動采集和處理，農(nóng)業(yè)中自動化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的遠程控制設(shè)備進行播種。

3 Zigbee聯(lián)盟

Zigbee聯(lián)盟負責(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。其目標是將無線智能系統(tǒng)植入到日常生活的設(shè)備中，向用戶提供集靈活性、移動性和簡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者、商業(yè)、工業(yè)和政府市場。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、面向自動化和監(jiān)控應(yīng)用的國際無線網(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)、認證組(InteroperabilityQualification)、市場組(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試規(guī)范。

(3)在全球范圍內(nèi)推廣Zigbee品牌、建立市場認知度。

(4)負責(zé)Zigbee技術(shù)的演進。

zigbee聯(lián)盟的應(yīng)用方向定位于：家庭自動化 (HomeAutomation)、樓宇自動化(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、消費電子、計算機外設(shè)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(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)上除了對現(xiàn)有技術(shù)加以完備和改進以外，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，如連接兩個或兩個以上的PAN(LinkTwo orMoreNet- works)、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部移動性(IntraPAN Portability)、網(wǎng)絡(luò)擴張的動態(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(yīng)用

家庭內(nèi)部通常地理范圍較小，而無線通信具有無需進行鋪線等有線通信所不具備的優(yōu)勢，因此家庭網(wǎng)絡(luò)中的聯(lián)網(wǎng)非常適合通過近距離無線通信來實現(xiàn)。為了把人們從日?，嵤轮薪夥懦鰜?，家庭自動化是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)：當你打開電視機時，燈光自動減弱；當電話鈴響起時或你拿起話機準備打電話時，電視機自動靜音。利用Zigbee技術(shù)你還可以做更多的事，例如你家里的每一個成員都可以有一個私人的電子輪廓(它可能是一個小小的符合 Zigbee標準的器件)，其他電器都可以通過檢測此輪廓而有所反應(yīng)。現(xiàn)在，假如附近沒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、電視節(jié)目和網(wǎng)站都將自動按照你的喜好自動設(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(fù)雜的配置，因為你的輪廓可以通過自學(xué)程序自動構(gòu)成。

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

當前的高級家庭自動化系統(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．家庭自動化成為Zigbee技術(shù)的一個關(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家庭自動化系統(tǒng)，房主能夠通過電話或互聯(lián)網(wǎng)遠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、告警狀態(tài)的通知，從而將家庭安全性提升到一個新的水平。Zigbee的另一優(yōu)勢在于該類產(chǎn)品可以聯(lián)網(wǎng)，同時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(tǒng)間進行信號路由。因此，發(fā)生火災(zāi)時，某一個煙霧傳感器的報警會觸發(fā)整個樓宇內(nèi)其它煙霧傳感器的報警，同時自動開啟灑水系統(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。

美國伊頓(Eaton)推出了采用近距離無線通信標準Zigbee的家用傳感器產(chǎn)品“HomeHeartbeat”。Home Heartbeat主要通過提示用戶家中的電器產(chǎn)品、門窗等的狀態(tài)來確保安全。比如，可以在出門前確認家中的窗戶是否已全部關(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、確認門窗狀態(tài)以及電源開關(guān)狀態(tài)的產(chǎn)品。為了便于用戶單手操作，Home Key 采用了可用大拇指滾動畫面的設(shè)計。另外，Home Key還具有網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備認證功能。在初次使用時，用戶只要將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無線技術(shù)。該服務(wù)可以使用戶采用手機、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、煙霧探測器、防盜探測器、室溫控制器、氣體閥門和電子門鎖，所有連接通過基于Zigbee技術(shù)的網(wǎng)關(guān)無線連接到互聯(lián)網(wǎng)。用戶可以通過遠程或在家內(nèi)采用SKTelecom公司的24x7 家庭監(jiān)控服務(wù)監(jiān)測和控制這些設(shè)備。

5 結(jié)束語

家庭內(nèi)部通常地理范圍較小，而無線通信具有無需進行鋪線等有線通信所不具備的優(yōu)勢，因此家庭網(wǎng)絡(luò)中的聯(lián)網(wǎng)非常適合通過近距離無線通信來實現(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)功能使得它相當適合擔(dān)當家庭自動化領(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控制電燈、暖氣、空調(diào)系統(tǒng)；

●多個家庭系統(tǒng)的自動控制，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)化對自然資源的消耗。

(3)便利

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

●從一個單一控制遠端就可以配置和運行多個系統(tǒng)。

(4)安全

●安裝方便的無線傳感器能夠在多種環(huán)境中進行監(jiān)控；

●檢測到異常事件時能自動接收到系統(tǒng)提示。

中國的家用無線自動控制系統(tǒng)市場正在興起，而 Zigbee將在其中扮演重要角色。Zigbee實現(xiàn)的智能家庭將使我們的生活更加節(jié)能、方便、安全、舒適。可以預(yù)見在不遠的將來，隨著科技的進步，在“無線著你的無限”，人們的生活方式將發(fā)生更大的變革。

參考文獻

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

2 華強電子世界網(wǎng)

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