ZIGBEE家居应用的优势与发展

ZIGBEE 家居应用的优势与发展姓名学号摘要在智能家居系统中，无线网络技术(ZIGBEE)应用于家庭网络己成为势不可挡的趋势， 这不仅仅因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去了花在综合布线上的费用和 精力，而且它更符合于家庭网络的通讯特点，同时随着无线网络技术的进一步发展，也必 将大大促进家庭智能化、网络化的进程。由于近年无线网络技术发展迅速，种类繁多，实 现方式多种多样，所以实际运用中可供选择的方案也很多，如802. Il, HomeRF, HIPERLAN, Blue tooth以及最新的ZigBee等，这些无线技术各有自身的特点，选用哪种无线方法，要根 据产品的需要和末来市场的前景来决制。ZIGBEE可以应用于家庭的照明、温度、安全、控制等。ZigBee模块可安装在电视、灯 泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统和其它家电产品等，例如在灯泡中 装置ZigBee模块，则人们要开灯，就不需要走到墙壁开关处，直接通过遥控便可开灯。当 你打开电视机时，灯光会自动减弱；当电话铃响起时或你拿起话机准备打电话时，电视机 会自动静音。通过ZigBee终端设备可以收集家庭各种信息，传送到中央控制设备，或是通 过遥控达到远程控制的目的，提供家居生活自动化、网络化与智能化。韩国第三大移动手 持设备制造商 Curitel Communications 公司已经开始研制世界上第一款 Zigbee 手机，该 手机将可通过无线的方式将家中或是办公室内的个人电脑、家用设备和电动开关连接起来。 这种手机融入了“ Zigbee ”技术，能够使手机用户在短距离内操纵电动开关和控制其他电 子设备。关键字：ZIGBEE技术；优势；发展正文一.ZIGBEE 起源蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源位置等信 息，这种肢体语言就是 ZigZag 行舞蹈，是蜜蜂之间一种简单传达信息的方式。借此意义 ZigBee作为新一代无线通讯技术的命名。在此之前ZigBee也被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为ZigBee。简单的说，ZigBee是一种高 可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通 讯距离从标准的 75m 到几百米、几公里，并且支持无限扩展。二 ZIGBEE 概述Zigbee 是基于 IEEE802.15.4 标准的低功耗个域网协议。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。ZigBee定义了两种物理设备类型：全功能设备FFD(Full Function Device)和精简功 能设备RFD(Reduced Function Device)0 一般来说，FFD支持任何拓扑结构，可以充当网络 协调器(network Coordinator)，能和任何设备通信；RFD通常只用于星型网络拓扑结构中， 不能完成网络协调器功能，且只能与FFD通信，两个RFD之间不能通信；但它们的内部电路 比FFD少，只有很少或没有消耗能量的内存，因此实现相对简单，也更利于节能。ZigBee标准采用分层结构。每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实体提供数据传 输服务，管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接入点(SAP)为上层 提供一个接口，每个SAP都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能【171。ZigBee标准 堆栈架构是在0SI七层模型的基础上根据市场和实际需要定义的。IEEE 802. 15. 4. 2003 标准定义了底层：物理层(Physical Layer. PHY)和媒体访问控制层(Medium Access Control Sub. Layer，MAC)层。ZigBee联盟在此基础上定义了网络层(network Layer，NWK),应用 层(Application Layer，APE)架构。其中应用层包括应用支持子层(Application Support Sub Layer，APS)，应用架构(ApplicationFramework，AF) 三. ZIGBEE 发展史IEEE组织早在2003年就开始制定IEEE802.15.4标准并发布，2006年进行标准更 新，最新针对智能电网应用制定了IEEE802.15.4g标准，针对工业控制应用制定了IEEE802.15.4e标准。IEEE802.15.4系列标准属于物理层和 MAC层标准，由于IEEE 组织在无线领域的影响力，以及 TI、ST、Ember、Freescale、NXP等著名芯片厂商的 推动，该标准已经成为无线传感器网络领域的事实标准，符合该标准的芯片已经在各 个行业得到广泛应用。ZigBee联盟对ZigBee标准的制定：IEEE802.15.4的物理层、MAC层和数据链路 层，标准已在2003年5月发布。ZigBee网络层、加密层及应用描述层的制定也取得 了较大的进展。V1.0版本已经发布。其他应用领域及其相关的设备描述也会陆续发 布。由于ZigBee不仅只是802.15.4的代名词，而且IEEE仅处理低级MAC层和物理 层协议，因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。完全协议用于一次 可直接连接到一个设备的基本节点的 4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K 字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由 传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意 外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。2001 年 8 月，ZigBee Alliance 成立。2004年,ZigBee V1.0诞生。它是zigbee的第一个规范.但由于推出仓促，存在 一些错误。2006年，推出ZigBee 2006，比较完善；2007 年底，ZigBee PRO 推出；2009年3月，zigbee RF4CE推出，具备更强的灵活性和远程控制能力；2009年开始，zigbee采用了 IETF的IPv6 6Lowpan标准3作为新一代智能电网Smart Energy（SEP 2.0）的标准，致力于形成全球统一的易于与互联网集成的网络，实现 端到端的网络通信。 随着美国及全球智能电网的大规模建设和应用， 物联网感知层技 术标准将逐渐由 zigbee 技术向 IPv6 6Lowpan 标准过渡。四 ZIGBEE 在国内发展现状ZigBee 的出发点是希望能发展出一种易布建的低成本无线网络，同时期低耗电性将使 产品的电池能维持6个月到数年的时间。ZigBee技术弥补了低成本，低功耗和低速率无线 通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。随着正式版本 协议的公布，更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现，互联互通测试和市场推 广等方面。我们有理由相信在不远的将来，将有越来越多的内置ZigBee功能的设备进入生 活，并极大地改善我们的生活方式和体验。在国内，目前 ZigBee 网络的应用范围非常广泛，很多我们想象不到的地方也在使用 ZigBee技术。例如，在工业领域，ZigBee技术不仅用来控制照明灯的开关，它还有一个用 途是检查高速路上照明灯的工作情况。以前工程师要开车到高速路上检查哪些照片灯已经 坏掉了，需要维修，但因为车速较快，不能记下所有要检修灯的编号，但通过ZigBee网络， 工程师只需坐在计算机，就可以很清楚地监测到整个高速路上照明灯的工作情况，这是目 前的一个热点应用。再如， ZigBee 技术用于进出的控制，可以记录汽车的进出，也可以在 人员进出时用于传输相关指纹来识别数据，进行身份认证。此外，通过ZigBee网络的路由 器功能，它还可以用来实时监控煤矿内各点的安全状况，防止事故的发生。在加油站，一 些客户不希望布线，他们正在考虑采用ZigBee无线技术来传输相关数据。在消费类电子方面，ZigBee技术可以替现在的红外遥控，于红外遥控相比，ZigBee的 优势在于每一个操作都会有反馈信息，告诉他们是否实现了相关操作。现今我们也可以看 到ZigBee用于家庭保安，消费者在家中的门和窗上都安装了 ZigBee网络，当有人闯入时, ZigBee可以控制开启室内摄像装置，这些数据再通过Internet或WLAN网络反馈给主人， 从而实现报警。当在家电产品如空调，热水器等安装ZigBee模块后，用户可以通过ZigBee 无线网络来控制这些产品的开启。为了推动 ZigBee 技术的发展,Chipcon（已被 TI 收购）与 Ember、Freescale、Honeywell、 Mistubishi、Motorola、Ph订ips 和 Samsung 等公司共同成立了 ZigBee 联盟（ZigBee Alliance），目前该联盟已经包含130多家会员。该联盟主席Robert F.Haile曾于2004年 11 月亲自造访中国，以免专利费的方式吸引中国本地企业加入。据市场研究机构预测，低 功耗、低成本的ZigBee技术将在未来两年内得到快速增长，2005年全球ZigBee器件的出 货量将达到100万个，2006年底将超过8000万个，2008年将超过1. 5亿个。这一预言正 在从ZigBee联盟及其成员近期的一系列活动和进展中得到验证。在标准林立的短距离无线 通信领域，ZigBee的快速发展可以说是有些令人始料不及的，从2004年底标准确立，到 2005年底相关芯片及终端设备总共卖出1500亿美元，应该说比被业界“炒”了多年的蓝牙、 Wi-Fi 进展都要快。ZigBee 技术在 ZigBee 联盟和 IEEE802.15.4 的推动下，结合其他无线技术，可以实现 无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用 价值，在未来其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。由于各方面的 制约，ZigBee技术的大规模商业应用还有待时日，但已经展示出了非凡的应用价值，相信 随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。但是，我们还应该清楚的认识到， 基于ZigBee技术的无线网络才刚刚开始发展，它的技术、应用都还远谈不上成熟，国内企 业应该抓住商机，加大投入力度，推动整个行业的发展。五 ZIGBEE 优势ZigBee 技术是一组基于 IEEE802.15.4 无线标准研制开发的涉及到组网、安全和应用 软件方面的通信技术，它是短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线 网络技术，它使用的频段是全球通用的2.4GHZ（同时也定义了 868HZ/915HZ两个频段）。 ZeeBee 技术有如下优点：1）数据传输速率低：只有10250kbps的带宽，因而它专注于低速数据传输方 面应用；2）功耗低，成本低：由于工作周期很短，并且在应用中采用了休眠模式，那么 收发信息功耗较低。ZigBee数据传输速率低、协议简单，这大大降低了成本；3）网络容量大：ZigBee支持星状、片状和网状网络结构，一个基于ZigBee的网 络可以容纳最多254个从设备和1个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee 网络；4）迟延短：通常的迟延都在1530ms之间，因此在对实时性要求高的自动控制 领域，ZigBee有着很好的应用和推广的价值；5）高安全性：ZigBee提供了数据完整性检査和鉴定功能，采用AES-128加密算 法。6）有效范围小：ZigBee的通信有效覆盖范围在1075m之间，基本上能够覆盖 普通的家庭或者办公室环境，其具体的通信范围受实际发射功率的大小和各种不同应用模 式的影响。ZigBee 建立在 IEEE802.15.4 标准之上，并确定了可以在不同制造商之间共用的 应用协议，是一种低成本的无线传感器网络技术，依据这个标准，可在众多的传感器节点 之间相互协调实现通信。 ZigBee 主要应用在距离短、功耗低且传输速率要求不高的各种电 子设备之间的通信，因而它的主用应用目标是：工业控制、医护、智能家居控制（灯关、水 电气计量及报警）、消费类电子设备的遥控装置、 PC 外设的无线连接等领域。zigbee无线智能家居系统以无线的方式，通过手机，把智能开关、智能插座、无线 红外转发器、窗帘控制器、无线红外入侵探测器、门磁、烟雾报警器、视频监控等智能家 居系统所包含的设备连接成一个完全双向的网络，我们也可以称之为家庭物联网。这个网 络由于完全符合Zigbee协议标准，所以也继承了 Zigbee网络可靠性高、安全性强、响应快 速、组网自动化、自动诊断和恢复系统故障等先天性的优势。（1）可靠性ZigBee 是采用碰撞避免机制，每个发送的控制命或者传输的数据都由接收方确认收 到，并回复一个确认的信息。若没有得到确认讯息的回复就表示发生了碰撞，将再次传送， 这样系统信息的传输变得非常可靠。目前一般的无线智能家居系统是基于 315M/433M 射频进行单向数据传输的，由于没 有接受方的确认信息的反馈，这些无线智能家居在受到干扰的情况下会经常控制失灵，系 统可靠性非常差。符合 Zigbee 标准的南京物联传感的无线智能家居系统则可以彻底解决控制失灵这种 致命缺陷。（2）健壮性、扩展性一个 ZigBee 的网络最多可以包括 65536个网络设备节点。这些网络节点可以自动组 建成一个网状（Mesh ）网络，并且新添加的节点也会自动加入到网络中。这样，系统几乎 可以实现无限的扩展，而且这扩展也非常简单。所以，物联传感智能家居系统的最小系统 可以简化到一个主机和一个插座，用户可以用非常小的代价就可以体验物联网智能家居系 统。体验之后，用户可以根据自身需求，定制自己的智能家居系统。而一般的无线智能家居系统需要经过“对码”才能进行家居设备的控制。“对码”其 实就是一个手动建立主机（或叫控制方）和设备（或叫被控方）之间通讯连接通路的过程， 这个过程会非常繁琐，而且容易出错，非专业人员是无法进行的。物联传感智能家居系统实现了系统的自动组网，而无需任何的“对码”。而且，由于 系统是一个网状（Mesh）网络，也就是系统的插座等设备都可以作为路由来起到数据和命 令传输中继的作用，系统自动、动态选择通讯路线来传输数据和命令。即使某一个设备出 现故障，系统会自动识别故障设备并重新选择通讯的线路，保证整个系统的通讯正常。总 之，物联传感智能家居是一个非常健壮、易于扩展的系统。（ 3）安全性ZigBee提供了数据完整性检査功能，阻止攻击者对数据进行修改；提供认证功能，阻 止攻击者修改、模仿Zigbee设备；釆用128bits AES加密算法，防止侦听数据；这些措施 确定Zigbee网络的安性。Zigbee技术在智能家居中的应用，具有以下优点。抗干扰力强：Zigbee收发模块使用的是2.4G直序扩频技术，比起一般FSK，ASK 和跳频的数传电台来，具有更好的抗干扰能力。保密性好： ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128，长达128位的密码给ZIGBEE信号传输的保密性提供了保障。传输速度快：ZIGBEE传输数据多采用短帧传送，因此，传输速度快，实时性强。可扩展性强：ZIGBEE组网容易，自恢复能力强，因此，便于在智能家居中进行 扩展，增加新设备。六 总结本文介绍了 ZIGBEE技术及其在家居方面的应用优势和发展，我们可以了解到， ZIGBEE是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。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。目前，在无限传输技术种类多样，各有优势,ZIGBEE作为一 种新出现的无线通信技术，以其协议简单，成本低，功耗小等特点，在家居应用中有了一 个广阔的市场空间，相信在未来，ZIGBEE将会有更上一层的发展，在家居应用方面将会有 更好的实用性。参考文献：1. 张志强.家庭网络技术标准及其在我国的发展策略研究J.邮电规划，2004， (3)-3-62. 蔡型，张思全.短距离无线通信技术综述J.现代电子技术，2004，(3) 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