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家庭無(wú)線(xiàn)控制系統中ZigBee技術(shù)的應用研究
1 引言
人們生活水平的提高和經(jīng)濟社會(huì )的發(fā)展，使的如何提高人們的生活質(zhì)量，讓人們的生活更加便捷、高效、安全、舒適成為了各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和計算機科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使本來(lái)處于科技尖端的各種技術(shù)逐漸走入了人們的生活，逐漸成為人們生活的一部分，為人們帶來(lái)更加人性化的家居生活體驗。隨著(zhù)各種無(wú)線(xiàn)解決方案的提出，各種無(wú)線(xiàn)集成芯片和模塊價(jià)格的不斷下降，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )成為家庭智能控制系統的首選，這不僅是因為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可以提供更大的靈活性、流動(dòng)性，省去花在綜合布線(xiàn)上的費用和精力，而且更因為它符合家庭網(wǎng)絡(luò )的通訊特點(diǎn)[1]——近距離、低速、實(shí)時(shí)。ZigBee 從成立之初就致力于低功耗、低速率、高效率的短距離通信，其最初的應用領(lǐng)域就是面向家庭自動(dòng)化，曾一度被稱(chēng)為“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”，隨著(zhù)ZigBee 技術(shù)的不斷改進(jìn)、成熟，更顯現出在家庭智能控制領(lǐng)域的強大優(yōu)勢。本文將介紹ZigBee 的特點(diǎn)及其優(yōu)勢，分析ZigBee協(xié)議棧，并指出將ZigBee 應用于家庭控制領(lǐng)域的幾點(diǎn)關(guān)鍵。
2 ZigBee 技術(shù)
ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它主要工作在無(wú)須注冊的ISM 頻段，典型傳輸范圍在10～ 75m。ZigBee 主要通過(guò)降低收發(fā)信機的忙閑以及數據傳輸的頻率，降低幀開(kāi)銷(xiāo)，并且實(shí)行嚴格的功率管理機制, 例如關(guān)機及睡眠模式等方式來(lái)降低設備的綜合功耗。ZigBee 基于 IEEE802.15.4 無(wú)線(xiàn)標準研制，它在IEEE802.15.4 規范的基礎上定義了高層規范，達到了產(chǎn)品的互操作和兼容性。ZigBee 協(xié)議棧由高層應用規范、應用支持子層、網(wǎng)絡(luò )層、媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層和物理層組成，網(wǎng)絡(luò )層及其以上的協(xié)議由ZigBee 聯(lián)盟負責制定，IEEE 則制定物理層 ( PHY) 和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層 (MAC)標準[2]。
2004 年ZigBee Alliance 發(fā)布了第一個(gè)規范ZigBee V1.0，但由于推出比較倉促，并不實(shí)用。隨后幾年中ZigBee Alliance 不斷壯大，分別于2006 年和2007 年發(fā)布了ZigBee Special2006 和ZigBee Special 2007，在ZigBee Special 2007 中對組網(wǎng)方式，功耗管理及互操作性等方面進(jìn)行了進(jìn)一步的擴充和管理[3]，ZigBee 技術(shù)逐漸完善。2009 年ZigBee Alliance 發(fā)布了最新的RF4CE 規范[3]，進(jìn)一步完善了ZigBee 在無(wú)線(xiàn)傳感控制領(lǐng)域的應用。ZigBee 致力于低速率、高效率，相對于目前存在的其他無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)具有以下優(yōu)勢：
功耗低：工作模式情況下，ZigBee 技術(shù)傳輸速率低，傳輸數據量很小，因此信號的收發(fā)時(shí)間很短，在非工作模式時(shí)，ZigBee 節點(diǎn)處于休眠模式。且通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都很短，設備搜索時(shí)延一般為30ms，休眠激活時(shí)延為15ms，活動(dòng)設備信道接入時(shí)延為15ms。同時(shí)， ZigBee 技術(shù)在協(xié)議上對電池使用也作了優(yōu)化。ZigBee 節點(diǎn)的電池工作時(shí)間可長(cháng)達數年。
數據傳輸可靠：2.4GHz 頻段的ZigBee 采用O-QPSK 調制和直接序列擴頻（DSSS）通信，為低信噪比環(huán)境的應用提供了額外的性能[4]。媒體接入控制層（MAC 層）采用talk-when-ready 的碰撞避免機制。在這種完全確認的數據傳輸機制下，當有數據傳送需求時(shí)立刻傳送，發(fā)送的每個(gè)數據包都必須等待接收方的確認信息，并進(jìn)行確認信息回復，若沒(méi)有得到確認信息的回復就表示發(fā)生了碰撞，將再傳一次，采用這種方法大幅提高了系統信息傳輸可靠性。
ZigBee 網(wǎng)絡(luò )具有自組織及自愈功能：網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)能自動(dòng)感知其他節點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結構化的網(wǎng)絡(luò )；增加、刪除或移動(dòng)節點(diǎn)，節點(diǎn)發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò )都能夠自我修復。這點(diǎn)很適合家庭中隨時(shí)增加或移除家電的情況。
網(wǎng)絡(luò )容量大：一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò )可容納一個(gè)主（Master）設備和254 個(gè)從（Slave）設備。
若是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器（Network Coordinator），整個(gè)網(wǎng)絡(luò )最多可支持超過(guò)64000 個(gè)節點(diǎn)，而且各Network Coordinator 可互相連接。
安全性高：ZigBee 提供了數據完整性檢查和鑒權功能，在數據傳輸中提供了三級安全性。第一級為無(wú)安全方式。對于第二級安全級別，器件可以使用接入控制清單（ACL）來(lái)防止非法器件獲取數據。第三級安全級別在數據轉移中采用屬于高級加密標準（AES）的對稱(chēng)密碼。AES 可以用來(lái)保護數據凈荷和防止攻擊者冒充合法器件。
實(shí)現成本低：由于其協(xié)議免專(zhuān)利費用，使用頻段免執照,協(xié)議套件緊湊而簡(jiǎn)單，所以實(shí)現成本很低。
為降低功耗和系統開(kāi)銷(xiāo)，ZigBee 將網(wǎng)絡(luò )中的設備劃分為兩類(lèi)，一種是全功能器件（FFD），它承擔網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者的作用，可以用來(lái)建立網(wǎng)絡(luò )和充當路由設備，可以同網(wǎng)絡(luò )中的任何設備通信，支持任何拓撲結構；另一種是簡(jiǎn)化功能器件（RFD），它只能與FFD 通信，通常只用于星型拓撲結構中。
3 ZigBee 結構
ZigBee 采用OSI 分層結構，但是并沒(méi)有完全實(shí)現OSI 的7 層結構網(wǎng)絡(luò )模型，其結構如下所示：
ZigBee 協(xié)議棧的不同層通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)（SAPs）進(jìn)行通信, 大多數層有兩個(gè)接口：數據實(shí)體接口和管理實(shí)體接口。數據實(shí)體接口的目標是向上層提供所需的常規數據服務(wù)。管理實(shí)體接口的目標是向上層提供訪(fǎng)問(wèn)內部層參數、配置和管理數據的機制[3]。
物理層（PHY）由射頻收發(fā)器及底層控制模塊組成，負責數據包的發(fā)送和接收，采用直接序列擴頻技術(shù)降低了數字集成電路的成本。媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層（MAC）提供了網(wǎng)絡(luò )的定義，包括PAN ID，網(wǎng)絡(luò )發(fā)現，時(shí)隙管理，信道接入以及安全機制等功能，采用載波偵聽(tīng)多址/沖突避免（CSMA/CA）的信道訪(fǎng)問(wèn)方式和完全握手協(xié)議來(lái)提高數據傳輸的可靠性。
網(wǎng)絡(luò )層（NWK）負責拓撲結構的建立和維護，命名和綁定服務(wù)，包括網(wǎng)絡(luò )中數據包的廣播，決定數據包的路由，確保數據包點(diǎn)對點(diǎn)正確可靠傳輸等。
應用支持子層（APS）充當應用對象上的過(guò)濾器，它負責管理應用對象的應用剖面和組，發(fā)送消息前應用對象的應用剖面和組的歸屬檢測，消息在不同應用對象上的路由，網(wǎng)絡(luò )層傳遞消息的映射，并維護一個(gè)本地綁定表。
ZigBee 設備對象（ZDO）包括了ZigBee 設備屬性層（ZDP）負責本地和空中網(wǎng)絡(luò )管理，全局設備管理，安全機制及當前節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)，提供了發(fā)現服務(wù)和服務(wù)發(fā)現，綁定和特殊安全設置等功能，為應用層提供了直接與網(wǎng)絡(luò )層交互的接口。
應用框架（AF）包含了ZigBee 簇庫，為應用提供了一個(gè)運行框架。ZigBee 中使用應用對象來(lái)區分一個(gè)節點(diǎn)上不同的應用，每個(gè)節點(diǎn)上最多能有240 個(gè)應用對象共享一個(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊。
所有的層都維護一個(gè)信息數據庫，信息數據庫中記錄了層的當前設置，可以通過(guò)高層或者是管理SAPs 來(lái)設置信息數據庫中的域。
4 ZigBee 應用于家庭無(wú)線(xiàn)控制的關(guān)鍵
4.1 應用對象和綁定
應用對象是應用層中的一種規范，一個(gè)應用對象就是一種應用的實(shí)現，比如燈的開(kāi)關(guān)為一個(gè)應用對象。ZigBee 通信其實(shí)就是應用對象之間通過(guò)簇交換信息的過(guò)程。每個(gè)物理節點(diǎn)最多能包含256 個(gè)應用對象，地址從0 到255，可供用戶(hù)使用的為1~240，其中應用對象0和255 為兩個(gè)特殊對象，0 用來(lái)配置和管理整個(gè)ZigBee 設備，255 為廣播對象，241~255 為保留對象[5]。應用對象的引入使得不同的應用剖面可以共存在同一個(gè)節點(diǎn)中；不同的控制可以在同一個(gè)節點(diǎn)中實(shí)現；不同的應用可以共用同一個(gè)射頻收發(fā)設備。大幅度地降低了構建網(wǎng)絡(luò )系統的復雜度和成本。
綁定是指在兩個(gè)應用對象上建立一條邏輯鏈路，綁定機制允許將兩個(gè)互補的應用對象進(jìn)行配對，使得應用服務(wù)在不知道目標地址的情況下也能向對方的應用服務(wù)發(fā)送數據包。發(fā)送時(shí)使用的目標地址將由應用支持子層從綁定表中自動(dòng)獲得[5] [6]。綁定表由應用支持子層實(shí)時(shí)維護，當一個(gè)設備的短地址發(fā)生改變時(shí)，綁定表入口將由APS 自動(dòng)更新。經(jīng)過(guò)綁定的應用對象在發(fā)送數據時(shí)不用關(guān)注自己的目標對象的地址，數據會(huì )自動(dòng)發(fā)送到所有已和其綁定的目標對象中，節省了節點(diǎn)開(kāi)銷(xiāo)提高了傳輸效率。在ZigBee 協(xié)議中綁定是一種雙向多路選擇，一個(gè)應用對象可以和多個(gè)其他能配對的應用對象進(jìn)行綁定，如下所示：
ZigBee 應用對象可以通過(guò)自動(dòng)綁定，輔助綁定，集中式綁定，或是由應用層來(lái)建立綁定。ZigBee 的綁定機制使得家庭無(wú)線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )中的具有操作關(guān)聯(lián)性的設施集中到有限的物理節點(diǎn)上，有效降低了網(wǎng)絡(luò )復雜度和系統成本。
4.2 頻率捷變
ZigBee 采用的2.4GHz ISM 頻帶為免執照頻帶，使用這一頻帶意味著(zhù)能將設備快速部署到全球，并且帶來(lái)更高的性?xún)r(jià)比，和市場(chǎng)占有率，因此共享此頻帶的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)不斷的增加，這些除ZigBee 以外的2.4GHz 通信設備就成為了ZigBee 網(wǎng)絡(luò )中的干擾源。從ZigBeeSpecial 2007 以后ZigBee提供了頻率捷變方案及良好的選擇性以保存與該頻帶中其他設備的良好共存。
頻率捷變是一種極其緩慢的跳頻算法。數據包錯誤率 (PER) 高于特定閾值之前，網(wǎng)絡(luò )會(huì )一直停留在同一通道上。在實(shí)際應用中，當其發(fā)現一個(gè)受干擾極少的通道時(shí)，它就會(huì )停留在那里直至發(fā)生新的干擾。頻率捷變的優(yōu)點(diǎn)在于，當干擾模式發(fā)生極小變化時(shí)，開(kāi)銷(xiāo)極小，而且吞吐量大；但是當受到像藍牙這樣的跳頻干擾源干擾時(shí)，該系統應有足夠的耐心去等待跳頻干擾源轉移至下一個(gè)通道，并且當一個(gè)新的靜態(tài)干擾源干擾系統時(shí)它可以繼續迅速傳輸。頻率捷變示意圖如下所示：
4.3 家庭無(wú)線(xiàn)控制系統結構
集中控制器是整個(gè)系統中的控制設備，采用高性能的RSIC 結構微處理器構建，除具備人性化的人機界面外，還帶有能與其他網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)的模塊以實(shí)現家庭設備的隨時(shí)隨地監控。由于單個(gè)家電設備的控制一般比較簡(jiǎn)單，所以網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)采用高集成度的ZigBee SOC 器件，比如典型的CC2430,CC2530，他們不但具有完整的射頻收發(fā)電路而且帶有增強型的8 位MCU，在實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)的同時(shí)就能完成對家電設備的控制。不但節約了單位成本，而且提供了更好的功耗控制和兼容性。
網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的選取關(guān)系到家庭無(wú)線(xiàn)控制系統的性能，對于家庭無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )具有以下的約束：節點(diǎn)設備數量巨大且不統一；室內環(huán)境阻擋較多；系統開(kāi)銷(xiāo)盡可能小，成本盡可能低；家庭中有可能有多種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統所以要求網(wǎng)絡(luò )具有一定的健壯性。針對這些約束采用簇狀網(wǎng)絡(luò )結構，簇狀網(wǎng)絡(luò )是一種點(diǎn)對點(diǎn)拓撲結構的擴展，支持ad-hoc 網(wǎng)絡(luò )，允許通過(guò)多跳路由的方式在網(wǎng)絡(luò )中傳輸數據，它不但覆蓋范圍寬易于擴展，而且降低了中心節點(diǎn)的負載水平。
可將家庭設施分門(mén)別類(lèi)后作為路由節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )，每個(gè)類(lèi)別的子設備之間可以通過(guò)類(lèi)別路由節點(diǎn)進(jìn)行互操作，當有新的設施購入時(shí)可以作為路由節點(diǎn)或者某個(gè)類(lèi)別的子節點(diǎn)加入。
ZigBee 是一項新興的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù), 它彌補了低成本、低功耗和低速率無(wú)線(xiàn)通信市場(chǎng)的空缺, 是無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )不可缺少的組成部分。同時(shí)，它也已被業(yè)界認同為傳感網(wǎng)絡(luò )的基本通信技術(shù)。隨著(zhù) ZigBee 技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，其大量豐富而便捷的應用，保證了 ZigBee 技術(shù)具有獨特的生存空間。
參考文獻
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