ZigBee实现智能家庭网络

    有人要求发明者发明下一项重大技术，但我们实际上需要的是更好的电灯开关。想想普通的电灯开关是如何工作的: 电灯本身可能装在天花板中央，但如果用户想站在门口就能开灯，还得把线拉到门口。

    这都是上个世纪的事！如今，有了无线技术，用户就可以使用用双面胶就能贴在墙上的开关。这样一来，如果用户想把开关位置放低，以便坐在轮椅上的客人能够得着，那么只要把它撕下来，往下移，再贴回到墙上即可。

    几十年来，建筑物就有了有线控制网络; 自马可尼时代以来，电气工程师们就一直试图把有线网络变成无线网络。不过，直到1998年，现已解散的行业组织HomeRF工作组才开始设计可以使用可粘贴电灯开关这些装置的一种系统。五六种现有的无线标准由于诸多原因并不胜任这项工作，于是研究人员开始设计新的标准。

　　在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业，家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化，对无线数据通信的需求越来越强烈，而且，对于工业现场，这种无线数据传输必须是高可靠的，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年正式问世。另外，Zigbee使用了在它之前所研究过的面向家庭网络的通信协议Home RF Lite.

　　长期以来，低价、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着。自从Bluetooth出现以后，曾让工业控制、家用自动控制、玩具制造商等业者雀跃不已，但是Bluetooth的售价一直居高不下，严重影响了这些厂商的使用意愿。如今，这些业者都参加了IEEE802.15.4小组，负责制定ZigBee的物理层和媒体介质访问层。IEEE802.15.4规范是一种经济、高效、低数据速率（<250kbps）、工作在2.4GHz和868/928MHz的无线技术，用于个人区域网和对等网络。它是ZigBee应用层和网络层协议的基础。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。

　　Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和"嗡嗡"（zig）地抖动翅膀的"舞蹈"来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

    应用的拓展

    ZigBee的发展前景绝不仅仅局限于电灯开关。能够改造家居的传感器技术问世已有数年。直到现在，业界缺少的只是一种可以使用这些技术经济可行的方式。

    譬如说，用户家窗户和门上安置的传感器能够以无线方式每分钟向中央安全控制器几次“一切正常”的情况——直到几年前，只有像博物馆这些地方才可能享有这种安全级别。每间房子里的传感器能够监控有没有人、温度、湿度和光线亮度，然后把数据发送到暖通空调控制器。控制器先查明某个房间里面有没有人; 只有查明有人后，才决定拉上还是放下遮光窗帘、打开还是关上调节气门，或者全速还是减速启动暖通空调系统。可以把里面有人的房间维持在稳定的舒适区。

    与此同时，家里的猫门会检查你家宠物身上的射频识别（RFID）标记，让小猫回到家里，而把小区的其他小动物拒之门外。菜园里面的传感器会不断检查土壤的湿度和湿度、光照强度以及空气温度，需要时就打开喷洒装置。

    完成部分这些任务的控制系统在办公大楼和工厂已存在了数年。大楼内到处是线缆，把成本高昂的传感器和中央服务器连接起来。不过，重新为家居布线以实现这些功能是荒谬的想法——施工人员得钻孔、爬上阁楼或者在爬行空隙里钻行。还往往要凿开墙壁。布线工作完成后，还要开始大规模的表面修补工作。

    虽然线缆本身每米的成本只有0.33美元，但为控制网络布线的工作量往往每平方米楼面面积就需要22美元。虽然为新房子构建这种系统的成本只有旧房翻新的一半，但还是不便宜。一般的新房子需要大约300个传感器节点; 光结构性布线每个房间就需要350美元左右。

    用户可以使用房子现有的交流电线缆，从而设法避免安装成本。有些系统就具有这种功能。不过，用户只能够得着连接有电气系统的那些地方; 只有这些地方离控制装置非常近、防止电源线上的噪声淹没信号，才可以使用它们。在ZigBee网络中，信号可以可靠地收到，不会受到难以预测的射频传播和吸收等变数的影响; 甚至可以收到来自车库窗户和院子里的土壤传感器等边远位置的信号。

    ZigBee的优点

　　①低功耗。在低耗电待机模式下，2 节5 号干电池可支持1个节点工作6~24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。   现在，TI公司和德国的Micropelt公司共同推出新能源的ZigBee节点。该节点采用Micropelt公司的热电发电机给TI公司的ZigBee提供电源。

　　②低成本。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10） ,降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议费。每块芯片的价格大约为2 美元。

　　③ 低速率。ZigBee工作在20~250 kbps的较低速率，分别提供250 kbps（2.4GHz）、40kbps （915 MHz）和20kbps（868 MHz） 的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

　　④近距离。传输范围一般介于10~100 m 之间，在增加RF 发射功率后，亦可增加到1~3 km.这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

　　⑤短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms ,节点连接进入网络只需30 ms ,进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3~10 s、WiFi 需要3 s.

　　⑥高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，多一个主节点可管理254 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，多可组成65000 个节点的大网。

　　⑦高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL） 防止非法获取数据以及采用加密标准（AES 128） 的对称密码，以灵活确定其安全属性。

　　⑧免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗（ ISM） 频段，2. 4 GHz （） 、915 MHz（美国） 和868 MHz（欧洲） .

    ZigBee节点是一种简单的东西。其是多信道无线电装置和微控制器，它们都在一块硅片上，装在如同小指指甲大小的塑料封装体里面。成品里面当然不止ZigBee芯片。电灯开关等一些装置只有触发器和面板，而另一些装置如恒温器会有另外的继电器、液晶显示屏及其他元件。

    ZigBee网络以自主方式组建而成，所以房主安装了第二个设备后，它会寻找个设备，个设备可能是网络的初始控制开关。第三个设备安装后，它会寻找头两个节点中离自己比较近的那一个。默认情况下，个设备之后的所有设备必须通过验证，才被允许使用现有设备作为通信“骨干”来回转发信号。

图1 与硬币大小相仿的ZigBee模块

 

    构建自己的ZigBee网络

    可以自行构建ZigBee网络吗？这取决于你的动手能力有多强。要添加即撕即贴的电灯开关，只要用具有ZigBee功能的开关换下原来墙上的开关，然后往墙上贴一个即撕即贴的开关控制器。只要使用一把螺丝刀，就很容易把原来墙上的有线开关升级成ZigBee开关（记住首先切掉电源）。

    接下来，你让两者“相互认识”: 摁一下一个开关上的按钮，然后迅速摁一下另一个开关上的相应按钮。从这一刻起，两个开关就可以协同工作了（会有本身使用ZigBee的照明装置，但初通过替换方式来实现。）不过，如果你想安装在家里的窗户和户外门上安装具有ZigBee功能的新锁闩，恐怕需要请来锁匠。

    ZigBee本来就是用来在大部分时间处于睡眠状态的设备之间不太频繁地传送简短信号。理论上的数据速率只有每秒250千比特，不过仍非常快，足以尽量缩短传送器或者接收器的“工作”时间; 两个设备之间的典型通话一般只用几毫秒，这样传送器可以迅速回到睡眠状态。

    ZigBee使用的频段与Wi-Fi一样，开发者当中有许多是曾开发其他标准（譬如针对Wi-Fi的802.11和针对WiMax的802.12）的同一批人。有许多免执照的频谱可以使用，诸多802标准利用了大部分这些频谱，其他许多技术也一样。虽然成本效益是ZigBee的设计师考虑的重要因素，但稳健性、可靠性及在嘈杂的射频环境中具有抗干扰性同样很重要。

图2 ZigBee热点模块

 

    为这项标准设计无线电部分的人员当初寻求稳健的调制方法，选择了正交相移键控（Quadrature PSK）方法: 在过去的二十年，美国宇航局就使用同样这项技术，与“航海者号”和“伽利略号”太空飞船及火星探测车进行联系。这项技术基于相移键控（PSK）调制方法: 无线电波正常振荡的波峰和波谷突然跳过了半个周期，因而会在预计出现波谷的时候出现波峰。“不连续的相位跳跃”的方向表明了收到1或者0，这一不连续性极其明显，在不适宜居住的环境也能检测到。

    正交相移键控则更进一步。它可以传送两个比特的信息: 00、01、10或者11，从而可以在同一时间内收到多一倍的信息，而不是每次相位转变传送一个1或者一个0。正交相移键控法具有极强的适应性，不过作为一种调制方法，它很少应用于成本低廉的系统，原因是它非常复杂，而且成本很高。的确，正因为射频硅技术在过去十年取得了进步，才让它得以适用于消费者系统。

    ZigBee协议对网络上设备进行命名采用了64位方法——这完全足够为加州海滩上的每粒沙子赋予一个惟一的地址。一旦设备安装完毕，地址就被映射成本地16位网络地址，那样ZigBee网络拥有的活动设备可以超过64000个。

    即使在有上千个设备的网络中，它们都同时连接到网络上，大多数设备上的传感器也会在大部分时候处于睡眠状态，只是在或者表明事件时才醒来。底层的分组无线技术确保了等待传送的信号被成功接收，不管信道有多忙碌。因为ZigBee无线电装置检查信道每秒可超过一千次，所以它能够避开Wi-Fi、无绳电话和微波炉引起的带宽拥塞。一旦它发送了数据包，就会回到睡眠状态。

    与有线和无线网络中的许多现有系统不同，ZigBee一开始就旨在能够防御黑客及其他威胁——无论来自邻居家好奇的少年，还是在街上开着车、瞅准未加保护的房子试图撬开电子锁的小偷。这项IEEE标准使用了加密标准，这是一种久经考验的公钥加密方法。这种方法利用了商业厂商提供的成熟的安全密钥分发和管理解决方案，这些厂商会添加一整套安全功能。这项技术不仅仅通过网络安全传送密钥，还可以让房主或者可信的厂商登录到网络上、添加新的传感器，以及更新网络的软件。

    ZigBee无线电装置和处理器要取得成功，必须尺寸小、功耗低，但单单做到这点还不够。与其他网络标准一样，它们必须与符合这项标准的其他设备兼容。不然，ZigBee永远得不到广泛使用，那样制造厂商也就无法获得规模经济。所以，行业组织 ZigBee联盟希望提出标准遵从方面的要求及射频兼容性方面的标准测试方法——就像IEEE 802.11有Wi-Fi联盟、802.16有WiMax论坛那样。

    广阔的应用前景

    非营利组织ZigBee联盟由当初开发基本IEEE标准的同一批人在2002年组建而成，现在它有大约200家成员公司，其中包括传统的控制系统生产商（如霍尼韦尔、约翰逊控制公司和西门子）、新的控制系统公司（盐湖城的Control4 Corp.）、针对特定行业的公司（丹麦的暖通空调制造商Danfoss Group Global和瑞典的锁具生产商亚萨合莱）、专门从事ZigBee的新兴公司（澳大利亚的Daintree Networks、韩国的Orange Logic和西雅图附近的San Juan Software）以及半导体公司（飞思卡尔半导体、意法半导体和德州仪器）。

    符合标准的无线电发送器的零售价在迅速接近1美元，而无线电装置/应用处理器/内存在同一个封装体里面的产品目前约为3美元。随着产量增加，这一价格会不断下滑。

    ZigBee并不是家庭控制网络的惟一选择，但诸多替代方案在某个方面远不如它。X10也许是常使用的替代方案，但它主要作为基于有线的一项技术，无线功能有限，用于识别每个对象的可分配的地址数量也很少——这一缺点通常把X10网络的规模限制在16个设备。

    还有蓝牙，这项越来越流行的短距离无线网络技术经改造后可以在典型的居民环境支持上百个设备，至少从理论上来说是这样。遗憾的是，它根本无法支持由电池供电的小设备长年使用，所以使用蓝牙用于家庭控制所需的改动其实相当于设计一项全新的无线电技术。

    蓝牙还存在与X10同样的缺点: 地址空间有限——实际上，可用于家庭控制的各种现有无线技术都有这个局限性。所以在蓝牙家庭网络上，设备只好不断地退出网络、重新加入，从而导致打开电灯开关与电灯发亮之间有几秒钟延迟。

    批ZigBee产品预计会在明年出现在电子产品商店和家居装修中心。据估计，即撕即贴的电灯开关用于控制开关装置的售价大约20美元，用于可粘贴控制开关装置的售价大约15美元。眼下，这比基于X10技术的同类装置要便宜5美元左右——便宜了不少，但相差幅度还不是很大。

    不过，由于规模经济及诸多厂商之间的竞争，这些价格会很快降下来。而ZigBee装置的功能会比替代装置多得多。譬如说，能注意到有人走进房间的运动传感器可以启动空调，打开电灯，不管这两个设备是由哪两家厂商生产的。同样，烟雾探测器能够打开电灯，关闭空气处理机组，从而增加从着火大楼逃生的机率。直到现在，这类集成的家庭控制系统不是很难实现，就是成本高昂，要么就是兼而有之。

    ZigBee技术会改变像家庭安全市场这些市场吗？直到现在，家庭安全市场还是依靠专有、独立的系统。安全人士很快就能够选择亚萨合莱的锁闩、西门子的报警器或者霍尼韦尔的控制器吗？这很难说，但ZigBee至少让这完全成为可能。

图3 通过ZigBee控制玩具汽车

 

　　ZigBee并不是用来与蓝牙或者其他已经存在的标准竞争，它的目标定位于现存的系统还不能满足其需求的特定的市场，它有着广阔的应用前景。ZigBee联盟预言在未来的四到五年，每个家庭将拥有50 个ZigBee 器件，将达到每个家庭150 个。据估计，到2007 年，ZigBee市场价值将达到数亿美元。其应用领域主要包括：

　　◆家庭和楼宇网络：空调系统的温度控制、照明的自动控制、窗帘的自动控制、煤气计量控制、家用电器的远程控制等；

　　◆工业控制：各种监控器、传感器的自动化控制；

　　◆商业：智慧型标签等；

　　◆公共场所：烟雾探测器等；

　　◆农业控制：收集各种土壤信息和气候信息；

　　◆医疗：老人与行动不便者的紧急呼叫器和医疗传感器等

    具有ZigBee功能的家庭将减少取暖和空调费用，同时会变得更安全、更舒适，而这绝非小事。