Zigbee实现智能家庭解决方案

　　1 引言

　　智能家庭一直是现代科学技术的一个发展方向。在您的家里，您可以使用一个简单的控制器就能控制室内空调系统的运行，同时还可以用它来控制每个房间灯光的开关和明暗、窗帘的闭合和打开。

　　家里如果有老年人或是行动不便者，还可以用它作为紧急呼叫器，电视机和音响也能用它来进行控制。这样的一个万能遥控器用 ZigBee技术就能实现。而且不仅如此，如果在您的键盘、鼠标、游戏摇杆上装有 Zigbee元件，它们也都可以变成无线的。 Zigbee还能装载在家中的烟雾侦测器、门禁系统中，成为您家中安全的保障。

　　2 Zigbee技术

　　Zibee设备是一种拓展性强，易布建，低成本的无线网络设备，具有低耗电、双向传输和感应功能等特点。Zibee技术的物理层和MAC层标准的制定工作是在IEEE802.15.4任务组中进行。IEEE在2000年 12月成立了802.15.4小组，致力于对较长使用寿命 (电池可以维持数月至数年)、低复杂度、可应用于传感器、互动玩具、智能标记、远程控制和自动化家庭的低速率通信解决方案的研究。IEEE 802.15.4标准在 2003年5月通过。

　　Zigbee设备工作在2.4GHz全球通用ISM频段和 868MHz(欧洲ISM频段)／915MHz(北美ISM频段)3 个频段，采用二进制相移键控(BPSK)、偏移正交相移键控(O-QPSK)调制方式，发射功率在-3dBm以上，速率可以到达 20／40／250kbit／s。 具体的物理层参数指标参见表1。 

　　IEEE 802.15.4定义了一种可选的MAC层超帧结构，超帧包括活跃(Active)和非活跃(Inactive)两部分。在非活跃部分，设备可以进入低功耗模式(休眠状态)；在活跃部分又分为竞争期和非竞争期，竞争期提供给以CSMA-CA方式接人的设备使用，非竞争期由若干保障时隙组成，提供给某些需要保留一定数据带宽的设备。这种超帧结构体现了IEEE 802.15.4低功耗的一大特点，非活跃期的引入限制了设备之间收发信机的开通时间，在无数据传输时使它们处于休眠状态，从而大大节省了功率开支。

　　Zigbee设备分为全功能设备和精简功能设备，精简功能设备相对全功能设备协议栈简单并且内存更小，只能和某个全功能设备进行交互。而全功能设备具有完备的IEEE 802.15.4协议功能，能与其传输范围内的任何节点进行交互。两种设备相互组合，可以组成网状网络、星型网络和树型网络。

　　Zigbee是第一种用于传感器与制动器等监测和控制应用的开放无线标准。Zigbee采用网格网络 (MeshNetwork)分布式网络架构，可提供多条传输路径，故能提高网络的可靠性和扩展性。网格网络分布式网络架构的自我修复能力同时能使 Zigbee网络稳定可靠，亦即网络只要包含足够的路由器节点，就算某个路由器节点发生问题，例如操作环境包含Wi-Fi 等同样使用ISM频带的干扰源，数据仍能经由其它路径抵达目的地，Zigbee网络即可稳定工作。

　　Zigbee技术的主要优势包括：

　　(1)低功耗，省电：由于Zigbee传输速率低，传输数据量相对少，因而收发信息的时间少；另外，Zigbee 设备在非工作状态可处于睡眠模式，所以非常省电，其电池寿命可持续几个月到几年；即使是电源供电条件下其功耗也远远低于Wi-Fi和Bluetooth。

　　(2)高可靠性：由于采用载波侦听多点接人／冲突避免(CSMA／CA)的媒体访问控制协议以及应答式通信机制，每次数据发送成功时都由接收方确认收到，没有得到确认的数据说明发生了碰撞，可进行重传。这种机制大大提高了通信的可靠度。

　　(3)网络可扩充性：Zigbee设备可以使用64bit的 IEEE物理地址，也可以使用l6bit的网络短地址，这样整个网络规模可达到6.5万个以上的节点；另外， Zigbee网络采用自组织网络(AdHoeNetwork)的结构，在网络的组建和维护上都具有相当大的灵活度，因而Zigbee在网络上的优势不容忽视。

　　(4)架构简单，易实现，其协议栈大小约为Blue- tooth的1／4。

　　(5)低成本，目前其芯片的批量购买价格已低于每块3美元。

　　Zigbee技术可以应用到医疗卫生中的远程监测病人身体状况、家庭自动化中的照明设备、空调设备、门禁系统的远程控制，另外在工农业生产中也有很广泛的应用，如工业中的数据自动采集和处理，农业中自动化、网络化和智能化的远程控制设备进行播种。

　　3 ZigBee联盟

　　Zigbee联盟负责制订Zigbee技术的网络层、安全管理、应用层规范以及互通性测试。Zigbee联盟于 2002年8月由Honeywell，Mitsubishi，Motorola．Philips 及In vensys共同成立。其目标是将无线智能系统植入到日常生活的设备中，向用户提供集灵活性、移动性和简单易用于一身的终极解决方案。Zigbee 技术将广泛地嵌入到多种产品和应用中去，这些产品和应用涉及到世界范围的消费者、商业、工业和政府市场。而 Zigbee联盟为企业提供了这样一种可靠的、高成本效率的、低功耗的、面向自动化和监控应用的国际无线网络标准。

Zigbee联盟目前已发展了200多家成员，共有7 个工作组，即系统架构组(Architecture)、应用框架组 (Application Framework)、网络组(Network)、安全组 (Security)、认证组(Interoperability&Qualification)、市场组(Marketing)、网关组 (Gateway)。Zigboe联盟的主要工作是：

　　(1)定义网络层、安全管理、应用层规范。

　　(2)提供互通和一致性测试规范。

　　(3)在全球范围内推广Zigbee品牌、建立市场认知度。

　　(4)负责Zigbee技术的演进。 

　　zigbee联盟的应用方向定位于：家庭自动化 (HomeAutomation)、楼宇自动化(CommercialBuilding Automation)、工农业监控(IndustrialPlantMonitor)、传感器应用(Wireless Sensor Applications)、电信应用 (TelecomApplications)、其它监控领域(医疗、消费电子、计算机外设等)。

　　Zigbee联盟在2004年12月正式推出Zigbee 1.0 版本标准。2006年10月发布其增强版本“Zig bee-2006 Specifications”，主要面向家庭应用环境。 Zigbee联盟于2008年1月发布了最新的版本规范，增加了面向商业应用环境的协议栈模型，在技术上除了对现有技术加以完备和改进以外，还增加了很多旨在增强网络灵活性及扩展网络适用性的新特性，如连接两个或两个以上的PAN(LinkTwo orMoreNet- works)、网络内部移动性(IntraPAN Portability)、网络扩张的动态作用机制(Dynamic SystemReactionto Growth ofNetworks)和PAN的频率灵活性(PANFre- quencyAgility)等。

　　4 Zigbee在智能家庭中的应用

　　家庭内部通常地理范围较小，而无线通信具有无需进行铺线等有线通信所不具备的优势，因此家庭网络中的联网非常适合通过近距离无线通信来实现。为了把人们从日常琐事中解放出来，家庭自动化是Zig bee技术最有吸引力的一种应用。有了Zigbee之后，尽管你家里的电器来自不同厂家，但它们都能彼此沟通和合作。你可以如此配置你的家庭网络：当你打开电视机时，灯光自动减弱；当电话铃响起时或你拿起话机准备打电话时，电视机自动静音。利用Zigbee技术你还可以做更多的事，例如你家里的每一个成员都可以有一个私人的电子轮廓(它可能是一个小小的符合 Zigbee标准的器件)，其他电器都可以通过检测此轮廓而有所反应。现在，假如附近没有其他轮廓或者你的轮廓具有最高优先级，那么家里的灯光、温度、音乐、电视节目和网站都将自动按照你的喜好自动设置。如果把你的私人轮廓放在你的口袋里，你还可以把自动化带到室外或你的办公室里。为了让你的轮廓达到上述效果，你并不需要完成复杂的配置，因为你的轮廓可以通过自学程序自动构成。

　　图1给出了在家庭网络中近距离无线通信的位置。家庭网络通过家庭网关与电信网络相结合，可以让您使用手机、电话或互联网随时随地了解到家中出现的任何状况，对家中的电器进行远程控制和操作。 

　　当前的高级家庭自动化系统要求电器智能元件具备超低功耗特性、协同工作能力和网络功能．家庭自动化成为Zigbee技术的一个关键应用，应该归功于 Zigbee的低功耗、互操作功能。飞思卡尔的解决方案是Zigbee兼容，并为iTRONIC系统等产品提供与住宅中的其它设备互操作的功能。使用 iTRONIC家庭自动化系统，房主能够通过电话或互联网远程控制家庭装置的诸多功能。iTRONIC系统可以节约能源，还能管理一些日常预定任务，包括运行水池水泵和灌溉系统、检查和调节温度和照明系统。iRONIC系统可以通过电话、短消息(SMS)和网络向房主发出关于入侵、烟火探测、告警状态的通知，从而将家庭安全性提升到一个新的水平。Zigbee的另一优势在于该类产品可以联网，同时还具有高可靠及高安全等特性。Zigbee 网络可在烟雾探测器和其它系统间进行信号路由。因此，发生火灾时，某一个烟雾传感器的报警会触发整个楼宇内其它烟雾传感器的报警，同时自动 开启洒水系统和应急灯；大厦管理人员还能迅速知晓哪里是火灾源头。
　　美国伊顿(Eaton)推出了采用近距离无线通信标准ZigBee的家用传感器产品“HomeHeartbeat”。Home Heartbeat主要通过提示用户家中的电器产品、门窗等的状态来确保安全。比如，可以在出门前确认家中的窗户是否已全部关好，或者咖啡机等电器是否已经关闭等。HomeHeartbeat由传感器、存储信息的“Base Station”和通过液晶屏显示信息的便携式“HomeKey” 组成，均具备基于 Zigbee的通信功能。传感器方面，备有用于检测管道漏水、确认门窗状态以及电源开关状态的产品。为了便于用户单手操作，Home Key 采用了可用大拇指滚动画面的设计。另外，Home Key还具有网络接入设备认证功能。在初次使用时，用户只要将HomeKey插入Base Station后，再将HomeKey插入设置在家中各处的传感器，即可构成网络。

　　韩国最大的电信公司SKTelecom公司在2005年 10月推出新的数字智能家庭服务，其核心的技术为 Ember公司提供的Zigbee无线技术。该服务可以使用户采用手机、互联网遥控家庭设备。第一阶段，数字家庭服务将提供Ember公司无线设备、传感器和服务，用于监视和控制家用设备、电灯、烟雾探测器、防盗探测器、室温控制器、气体阀门和电子门锁，所有连接通过基于Zigbee技术的网关无线连接到互联网。用户可以通过远程或在家内采用SKTelecom公司的24x7 家庭监控服务监测和控制这些设备。

　　5 结束语

　　家庭内部通常地理范围较小，而无线通信具有无需进行铺线等有线通信所不具备的优势，因此家庭网络中的联网非常适合通过近距离无线通信来实现。 Zigbee技术具备的超低功耗特性、协同工作能力和网络功能使得它相当适合担当家庭自动化领域中的主要角色。Zigbee在家庭网络中起到的作用主要表现在以下4个方面：

　　(1)控制 

　　●享受灵活的管理方式，你可以从家里的任何地方来控制电灯、暖气、空调系统；

　　●多个家庭系统的自动控制，使你的生活更加节能、方便、安全。

　　(2)节能

　　●获取详尽的电、水、煤气使用数据；

　　●嵌入的智能系统能够优化对自然资源的消耗。

　　(3)便利

　　●不需布线就可以安装、升级网络化的家庭控制系统；

　　●从一个单一控制远端就可以配置和运行多个系统。

　　(4)安全

　　●安装方便的无线传感器能够在多种环境中进行监控；

　　●检测到异常事件时能自动接收到系统提示。

　　中国的家用无线自动控制系统市场正在兴起，而 Zigbee将在其中扮演重要角色。Zigbee实现的智能家庭将使我们的生活更加节能、方便、安全、舒适。可以预见在不远的将来，随着科技的进步，在“无线着你的无限”，人们的生活方式将发生更大的变革。