Zigbee實現(xiàn)智能家庭網絡

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隙組成，提供給某些需要保留一定數(shù)據(jù)帶寬的設備。這種超幀結構體現(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設備分為全功能設備和精簡功能設備，精簡功能設備相對全功能設備協(xié)議棧簡單并且內存更小，只能和某個全功能設備進行交互。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(jié)點進行交互。兩種設備相互組合，可以組成網狀網絡、星型網絡和樹型網絡。

Zigbee是第一種用于傳感器與制動器等監(jiān)測和控制應用的開放無線標準。Zigbee采用網格網絡 (MeshNetwork)分布式網絡架構，可提供多條傳輸路徑，故能提高網絡的可靠性和擴展性。網格網絡分布式網絡架構的自我修復能力同時能使Zigbee網絡穩(wěn)定可靠，亦即網絡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)仍能經由其它路徑抵達目的地，Zigbee網絡即可穩(wěn)定工作。

Zigbee技術的主要優(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)網絡可擴充性：Zigbee設備可以使用64bit的 IEEE物理地址，也可以使用l6bit的網絡短地址，這樣整個網絡規(guī)?？蛇_到6.5萬個以上的節(jié)點；另外， Zigbee網絡采用自組織網絡(AdHoeNetwork)的結構，在網絡的組建和維護上都具有相當大的靈活度，因而Zigbee在網絡上的優(yōu)勢不容忽視。

(4)架構簡單，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技術可以應用到醫(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備、空調設備、門禁系統(tǒng)的遠程控制，另外在工農業(yè)生產中也有很廣泛的應用，如工業(yè)中的數(shù)據(jù)自動采集和處理，農業(yè)中自動化、網絡化和智能化的遠程控制設備進行播種。

3 Zigbee聯(lián)盟

Zigbee聯(lián)盟負責制訂Zigbee技術的網絡層、安全管理、應用層規(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技術將廣泛地嵌入到多種產品和應用中去，這些產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。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)控應用的國際無線網絡標準。

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)架構組(Architecture)、應用框架組 (Application Framework)、網絡組(Network)、安全組 (Security)、認證組(InteroperabilityQualification)、市場組(Marketing)、網關組(Gateway)。Zigboe聯(lián)盟的主要工作是：

(1)定義網絡層、安全管理、應用層規(guī)范。

(2)提供互通和一致性測試規(guī)范。

(3)在全球范圍內推廣Zigbee品牌、建立市場認知度。

(4)負責Zigbee技術的演進。

zigbee聯(lián)盟的應用方向定位于：家庭自動化 (HomeAutomation)、樓宇自動化(CommercialBuilding Automation)、工農業(yè)監(jiān)控(IndustrialPlantMonitor)、傳感器應用(Wireless Sensor Applications)、電信應用 (TelecomApplications)、其它監(jiān)控領域(醫(yī)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(guī)范，增加了面向商業(yè)應用環(huán)境的協(xié)議棧模型，在技術上除了對現(xiàn)有技術加以完備和改進以外，還增加了很多旨在增強網絡靈活性及擴展網絡適用性的新特性，如連接兩個或兩個以上的PAN(LinkTwo orMoreNet- works)、網絡內部移動性(IntraPAN Portability)、網絡擴張的動態(tài)作用機制(Dynamic SystemReactionto Growth ofNetworks)和PAN的頻率靈活性(PANFre- quencyAgility)等。

4 Zigbee在智能家庭中的應用

家庭內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，因此家庭網絡中的聯(lián)網非常適合通過近距離無線通信來實現(xiàn)。為了把人們從日?，嵤轮薪夥懦鰜恚彝プ詣踊荶ig bee技術最有吸引力的一種應用。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絡：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?，F(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)目和網站都將自動按照你的喜好自動設置。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自學程序自動構成。

圖1給出了在家庭網絡中近距離無線通信的位置。家庭網絡通過家庭網關與電信網絡相結合，可以讓您使用手機、電話或互聯(lián)網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)同工作能力和網絡功能．家庭自動化成為Zigbee技術的一個關鍵應用，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(tǒng)等產品提供與住宅中的其它設備互操作的功能。使用iTRONIC家庭自動化系統(tǒng)，房主能夠通過電話或互聯(lián)網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定任務，包括運行水池水泵和灌溉系統(tǒng)、檢查和調節(jié)溫度和照明系統(tǒng)。iRONIC系統(tǒng)可以通過電話、短消息(SMS)和網絡向房主發(fā)出關于入侵、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)勢在于該類產品可以聯(lián)網，同時還具有高可靠及高安全等特性。Zigbee 網絡可在煙霧探測器和其它系統(tǒng)間進行信號路由。因此，發(fā)生火災時，某一個煙霧傳感器的報警會觸發(fā)整個樓宇內其它煙霧傳感器的報警，同時自動開啟灑水系統(tǒng)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線通信標準Zigbee的家用傳感器產品“HomeHeartbeat”。Home Heartbeat主要通過提示用戶家中的電器產品、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好，或者咖啡機等電器是否已經關閉等。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)以及電源開關狀態(tài)的產品。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計。另外，Home Key還具有網絡接入設備認證功能。在初次使用時，用戶只要將HomeKey插入Base Station后，再將HomeKey插入設置在家中各處的傳感器，即可構成網絡。

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，其核心的技術為 Ember公司提供的Zigbee無線技術。該服務可以使用戶采用手機、互聯(lián)網遙控家庭設備。第一階段，數(shù)字家庭服務將提供Ember公司無線設備、傳感器和服務，用于監(jiān)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、氣體閥門和電子門鎖，所有連接通過基于Zigbee技術的網關無線連接到互聯(lián)網。用戶可以通過遠程或在家內采用SKTelecom公司的24x7 家庭監(jiān)控服務監(jiān)測和控制這些設備。

5 結束語

家庭內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，因此家庭網絡中的聯(lián)網非常適合通過近距離無線通信來實現(xiàn)。 Zigbee技術具備的超低功耗特性、協(xié)同工作能力和網絡功能使得它相當適合擔當家庭自動化領域中的主要角色。Zigbee在家庭網絡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、升級網絡化的家庭控制系統(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htlp：//www.c-ps net/trade/content/2007/8/ 5574.html

2 華強電子世界網

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