ZigBee 控制家庭網(wǎng)絡的標準

電燈開關的啟發(fā)

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

這都是上個世紀的事！如今，有了無線技術，用戶就可以使用用雙面膠就能貼在墻上的開關。這樣一來，如果用戶想把開關位置放低，以便坐在輪椅上的客人能夠得著，那么只要把它撕下來，往下移，再貼回到墻上即可。

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

2000年，IEEE針對無線個人區(qū)域網(wǎng)（WPAN）啟動了自己的項目: 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。這個名字通常會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)品預計會在一年內進入商店。

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，它可以為家庭提供無線網(wǎng)絡服務。不過在其他方面，兩項標準各不相同。Wi-Fi耗用大量功率來提供大量的高速數(shù)據(jù)流，而ZigBee幾乎不耗用什么功率; Wi-Fi使用一個中央路由器來提供覆蓋服務，而ZigBee利用一起加入網(wǎng)絡的諸多小節(jié)點共同提供覆蓋服務。

這完全與兩者預期的應用不同有關。ZigBee用來連接的是電燈開關，不是多媒體娛樂中心，所以雖然數(shù)據(jù)速率只有Wi-Fi的五分之一，照樣應付得過去。而且在ZigBee中，一些節(jié)點會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ZigBee控制點使用兩節(jié)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關。能夠改造家居的傳感器技術問世已有數(shù)年。直到現(xiàn)在，業(yè)界缺少的只是一種可以使用這些技術經(jīng)濟可行的方式。

譬如說，用戶家窗戶和門上安置的傳感器能夠以無線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(jiān)控有沒有人、溫度、濕度和光線亮度，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送到暖通空調控制器。控制器先查明某個房間里面有沒有人; 只有查明有人后，才決定拉上還是放下遮光窗簾、打開還是關上調節(jié)氣門，或者全速還是減速啟動暖通空調系統(tǒng)?？梢园牙锩嬗腥说姆块g維持在穩(wěn)定的舒適區(qū)。

與此同時，家里的貓門會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(qū)的其他小動物拒之門外。菜園里面的傳感器會不斷檢查土壤的濕度和濕度、光照強度以及空氣溫度，需要時就打開噴灑裝置。

完成部分這些任務的控制系統(tǒng)在辦公大樓和工廠已存在了數(shù)年。大樓內到處是線纜，把成本高昂的傳感器和中央服務器連接起來。不過，重新為家居布線以實現(xiàn)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。還往往要鑿開墻壁。布線工作完成后，還要開始大規(guī)模的表面修補工作。

雖然線纜本身每米的成本只有0.33美元，但為控制網(wǎng)絡布線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(tǒng)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個傳感器節(jié)點; 光結構性布線每個房間就需要350美元左右。

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

ZigBee的優(yōu)點

ZigBee節(jié)點是一種簡單的東西。其核心是多信道無線電裝置和微控制器，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。電燈開關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有另外的繼電器、液晶顯示屏及其他元件。

ZigBee網(wǎng)絡以自主方式組建而成，所以房主安裝了第二個設備后，它會尋找第一個設備，第一個設備可能是網(wǎng)絡的初始控制開關。第三個設備安裝后，它會尋找頭兩個節(jié)點中離自己比較近的那一個。默認情況下，第一個設備之后的所有設備必須通過驗證，才被允許使用現(xiàn)有設備作為通信“骨干”來回轉發(fā)信號。

圖1 與硬幣大小相仿的ZigBee模塊

驗證過程可能只需要摁一下按鈕這么簡單; 但如果設備配有熒屏和鍵盤，可能比較復雜。實際上，網(wǎng)絡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意中加入網(wǎng)絡。設備添加完畢，網(wǎng)絡就可以獨立詢問這是什么設備、它能提供什么服務。

構建自己的ZigBee網(wǎng)絡

可以自行構建ZigBee網(wǎng)絡嗎？這取決于你的動手能力有多強。要添加即撕即貼的電燈開關，只要用具有ZigBee功能的開關換下原來墻上的開關，然后往墻上貼一個即撕即貼的開關控制器。只要使用一把螺絲刀，就很容易把原來墻上的有線開關升級成ZigBee開關（記住首先切掉電源）。

接下來，你讓兩者“相互認識”: 摁一下一個開關上的按鈕，然后迅速摁一下另一個開關上的相應按鈕。從這一刻起，兩個開關就可以協(xié)同工作了（最后會有本身使用ZigBee的照明裝置，但最初通過替換方式來實現(xiàn)。）不過，如果你想安裝在家里的窗戶和戶外門上安裝具有ZigBee功能的新鎖閂，恐怕需要請來鎖匠。

ZigBee本來就是用來在大部分時間處于睡眠狀態(tài)的設備之間不太頻繁地傳送簡短信號。理論上的最大數(shù)據(jù)速率只有每秒250千比特，不過仍非常快，足以盡量縮短傳送器或者接收器的“工作”時間; 兩個設備之間的典型通話一般只用幾毫秒，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，開發(fā)者當中有許多是曾開發(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(zhí)照的頻譜可以使用，諸多802標準利用了大部分這些頻譜，其他許多技術也一樣。雖然成本效益是ZigBee的設計師考慮的重要因素，但穩(wěn)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熱點模塊

為這項標準設計無線電部分的人員當初尋求最穩(wěn)健的調制方法，最后選擇了正交相移鍵控（Quadrature PSK）方法: 在過去的二十年，美國宇航局就使用同樣這項技術，與“航海者號”和“伽利略號”太空飛船及火星探測車進行聯(lián)系。這項技術基于相移鍵控（PSK）調制方法: 無線電波正常振蕩的波峰和波谷突然跳過了半個周期，因而會在預計出現(xiàn)波谷的時候出現(xiàn)波峰?！安贿B續(xù)的相位跳躍”的方向表明了收到1或者0，這一不連續(xù)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一步。它可以傳送兩個比特的信息: 00、01、10或者11，從而可以在同一時間內收到多一倍的信息，而不是每次相位轉變傳送一個1或者一個0。正交相移鍵控法具有極強的適應性，不過作為一種調制方法，它很少應用于成本低廉的系統(tǒng)，原因是它非常復雜，而且成本很高。的確，正因為射頻硅技術在過去十年取得了進步，才讓它得以適用于消費者系統(tǒng)。

ZigBee協(xié)議對網(wǎng)絡上設備進行命名采用了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)絡地址，那樣ZigBee網(wǎng)絡擁有的活動設備可以超過64000個。

即使在有上千個設備的網(wǎng)絡中，它們都同時連接到網(wǎng)絡上，大多數(shù)設備上的傳感器也會在大部分時候處于睡眠狀態(tài)，只是在報告或者表明事件時才醒來。底層的分組無線技術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無線電裝置檢查信道每秒可超過一千次，所以它能夠避開Wi-Fi、無繩電話和微波爐引起的帶寬擁塞。一旦它發(fā)送了數(shù)據(jù)包，就會回到睡眠狀態(tài)。

與有線和無線網(wǎng)絡中的許多現(xiàn)有系統(tǒng)不同，ZigBee一開始就旨在能夠防御黑客及其他威脅——無論來自鄰居家好奇的少年，還是在街上開著車、瞅準未加保護的房子試圖撬開電子鎖的小偷。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)廠商提供的成熟的安全密鑰分發(fā)和管理解決方案，這些廠商會添加一整套安全功能。這項技術不僅僅通過網(wǎng)絡安全傳送密鑰，還可以讓房主或者可信的廠商登錄到網(wǎng)絡上、添加新的傳感器，以及更新網(wǎng)絡的軟件。

ZigBee無線電裝置和處理器要取得成功，必須尺寸小、功耗低，但單單做到這點還不夠。與其他網(wǎng)絡標準一樣，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，那樣制造廠商也就無法獲得規(guī)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

非營利組織ZigBee聯(lián)盟由當初開發(fā)基本IEEE標準的同一批人在2002年組建而成，現(xiàn)在它有大約200家成員公司，其中包括傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)生產(chǎn)商（如霍尼韋爾、約翰遜控制公司和西門子）、新的控制系統(tǒng)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）、專門從事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）。

符合標準的無線電發(fā)送器的零售價在迅速接近1美元，而無線電裝置/應用處理器/內存在同一個封裝體里面的產(chǎn)品目前約為3美元。隨著產(chǎn)量增加，這一價格會不斷下滑。

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

還有藍牙，這項越來越流行的短距離無線網(wǎng)絡技術經(jīng)改造后可以在典型的居民環(huán)境支持上百個設備，至少從理論上來說是這樣。遺憾的是，它根本無法支持由電池供電的小設備長年使用，所以使用藍牙用于家庭控制所需的改動其實相當于設計一項全新的無線電技術。

藍牙還存在與X10同樣的缺點: 地址空間有限——實際上，可用于家庭控制的各種現(xiàn)有無線技術都有這個局限性。所以在藍牙家庭網(wǎng)絡上，設備只好不斷地退出網(wǎng)絡、重新加入，從而導致打開電燈開關與電燈發(fā)亮之間有幾秒鐘延遲。

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

不過，由于規(guī)模經(jīng)濟及諸多廠商之間的競爭，這些價格會很快降下來。而ZigBee裝置的功能會比替代裝置多得多。譬如說，能注意到有人走進房間的運動傳感器可以啟動空調，打開電燈，不管這兩個設備是由哪兩家廠商生產(chǎn)的。同樣，煙霧探測器能夠打開電燈，關閉空氣處理機組，從而增加從著火大樓逃生的機率。直到現(xiàn)在，這類集成的家庭控制系統(tǒng)不是很難實現(xiàn)，就是成本高昂，要么就是兼而有之。

ZigBee技術會改變像家庭安全市場這些市場嗎？直到現(xiàn)在，家庭安全市場還是依靠專有、獨立的系統(tǒng)。專業(yè)安全人士很快就能夠選擇亞薩合萊的鎖閂、西門子的報警器或者霍尼韋爾的控制器嗎？這很難說，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，但這項技術設計具備商業(yè)和行業(yè)用戶同樣所需的穩(wěn)健性。這類用戶可能會發(fā)現(xiàn)，只要通過更準確地控制暖通空調系統(tǒng)來降低能源成本，ZigBee可以收到明顯的投資回報，這比安裝新的有線網(wǎng)絡的成本低得多。

圖3 通過ZigBee控制玩具汽車

不過，商業(yè)和行業(yè)客戶需要一段時間才會采用ZigBee系統(tǒng)。因為企業(yè)網(wǎng)絡會有成千上萬個節(jié)點，它們的系統(tǒng)將由專業(yè)人員來規(guī)劃、安裝及維護，就像計算機網(wǎng)絡由專業(yè)的信息技術人員來安裝及運行。所以，ZigBee可能會先進入家庭，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，家里的ZigBee網(wǎng)絡能與你通話: 通過連接到你家的互聯(lián)網(wǎng)線路，或者通過向你的手機發(fā)送短消息。如果你在外出時冷空氣襲來，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，到時就可以打電話過去，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，這樣你人在家里時或者走到外面院子時，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，同時會變得更安全、更舒適，而這絕非小事。