原创 Zigbee实现智能家庭网络

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Invensys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。