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家庭無線控制系統(tǒng)中ZigBee技術(shù)的應(yīng)用研究
1 引言
人們生活水平的提高和經(jīng)濟社會的發(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、舒適成為了各個學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點。無線通信技術(shù)和計算機科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使本來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，為人們帶來更加人性化的家居生活體驗。隨著各種無線解決方案的提出，各種無線集成芯片和模塊價格的不斷下降，無線網(wǎng)絡(luò)成為家庭智能控制系統(tǒng)的首選，這不僅是因為無線網(wǎng)絡(luò)可以提供更大的靈活性、流動性，省去花在綜合布線上的費用和精力，而且更因為它符合家庭網(wǎng)絡(luò)的通訊特點[1]——近距離、低速、實時。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(yīng)用領(lǐng)域就是面向家庭自動化，曾一度被稱為“HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”，隨著ZigBee 技術(shù)的不斷改進、成熟，更顯現(xiàn)出在家庭智能控制領(lǐng)域的強大優(yōu)勢。本文將介紹ZigBee 的特點及其優(yōu)勢，分析ZigBee協(xié)議棧，并指出將ZigBee 應(yīng)用于家庭控制領(lǐng)域的幾點關(guān)鍵。
2 ZigBee 技術(shù)
ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，它主要工作在無須注冊的ISM 頻段，典型傳輸范圍在10～ 75m。ZigBee 主要通過降低收發(fā)信機的忙閑以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率，降低幀開銷，并且實行嚴格的功率管理機制, 例如關(guān)機及睡眠模式等方式來降低設(shè)備的綜合功耗。ZigBee 基于 IEEE802.15.4 無線標準研制，它在IEEE802.15.4 規(guī)范的基礎(chǔ)上定義了高層規(guī)范，達到了產(chǎn)品的互操作和兼容性。ZigBee 協(xié)議棧由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用支持子層、網(wǎng)絡(luò)層、媒體訪問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) 和媒體訪問控制層 (MAC)標準[2]。
2004 年ZigBee Alliance 發(fā)布了第一個規(guī)范ZigBee V1.0，但由于推出比較倉促，并不實用。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行了進一步的擴充和管理[3]，ZigBee 技術(shù)逐漸完善。2009 年ZigBee Alliance 發(fā)布了最新的RF4CE 規(guī)范[3]，進一步完善了ZigBee 在無線傳感控制領(lǐng)域的應(yīng)用。ZigBee 致力于低速率、高效率，相對于目前存在的其他無線網(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(shù)據(jù)量很小，因此信號的收發(fā)時間很短，在非工作模式時，ZigBee 節(jié)點處于休眠模式。且通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都很短，設(shè)備搜索時延一般為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms。同時， ZigBee 技術(shù)在協(xié)議上對電池使用也作了優(yōu)化。ZigBee 節(jié)點的電池工作時間可長達數(shù)年。
數(shù)據(jù)傳輸可靠：2.4GHz 頻段的ZigBee 采用O-QPSK 調(diào)制和直接序列擴頻（DSSS）通信，為低信噪比環(huán)境的應(yīng)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(shù)據(jù)傳輸機制下，當有數(shù)據(jù)傳送需求時立刻傳送，發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，并進行確認信息回復(fù)，若沒有得到確認信息的回復(fù)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(tǒng)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(jié)點能自動感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；增加、刪除或移動節(jié)點，節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)。這點很適合家庭中隨時增加或移除家電的情況。
網(wǎng)絡(luò)容量大：一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可容納一個主（Master）設(shè)備和254 個從（Slave）設(shè)備。
若是通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（Network Coordinator），整個網(wǎng)絡(luò)最多可支持超過64000 個節(jié)點，而且各Network Coordinator 可互相連接。
安全性高：ZigBee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級安全性。第一級為無安全方式。對于第二級安全級別，器件可以使用接入控制清單（ACL）來防止非法器件獲取數(shù)據(jù)。第三級安全級別在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移中采用屬于高級加密標準（AES）的對稱密碼。AES 可以用來保護數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件。
實現(xiàn)成本低：由于其協(xié)議免專利費用，使用頻段免執(zhí)照,協(xié)議套件緊湊而簡單，所以實現(xiàn)成本很低。
為降低功耗和系統(tǒng)開銷，ZigBee 將網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備劃分為兩類，一種是全功能器件（FFD），它承擔網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者的作用，可以用來建立網(wǎng)絡(luò)和充當路由設(shè)備，可以同網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備通信，支持任何拓撲結(jié)構(gòu)；另一種是簡化功能器件（RFD），它只能與FFD 通信，通常只用于星型拓撲結(jié)構(gòu)中。
3 ZigBee 結(jié)構(gòu)
ZigBee 采用OSI 分層結(jié)構(gòu)，但是并沒有完全實現(xiàn)OSI 的7 層結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型，其結(jié)構(gòu)如下所示：
ZigBee 協(xié)議棧的不同層通過服務(wù)接入點（SAPs）進行通信, 大多數(shù)層有兩個接口：數(shù)據(jù)實體接口和管理實體接口。數(shù)據(jù)實體接口的目標是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)。管理實體接口的目標是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收，采用直接序列擴頻技術(shù)降低了數(shù)字集成電路的成本。媒體訪問控制層（MAC）提供了網(wǎng)絡(luò)的定義，包括PAN ID，網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)，時隙管理，信道接入以及安全機制等功能，采用載波偵聽多址/沖突避免（CSMA/CA）的信道訪問方式和完全握手協(xié)議來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?br />
網(wǎng)絡(luò)層（NWK）負責拓撲結(jié)構(gòu)的建立和維護，命名和綁定服務(wù)，包括網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的廣播，決定數(shù)據(jù)包的路由，確保數(shù)據(jù)包點對點正確可靠傳輸?shù)取?br />
應(yīng)用支持子層（APS）充當應(yīng)用對象上的過濾器，它負責管理應(yīng)用對象的應(yīng)用剖面和組，發(fā)送消息前應(yīng)用對象的應(yīng)用剖面和組的歸屬檢測，消息在不同應(yīng)用對象上的路由，網(wǎng)絡(luò)層傳遞消息的映射，并維護一個本地綁定表。
ZigBee 設(shè)備對象（ZDO）包括了ZigBee 設(shè)備屬性層（ZDP）負責本地和空中網(wǎng)絡(luò)管理，全局設(shè)備管理，安全機制及當前節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，提供了發(fā)現(xiàn)服務(wù)和服務(wù)發(fā)現(xiàn)，綁定和特殊安全設(shè)置等功能，為應(yīng)用層提供了直接與網(wǎng)絡(luò)層交互的接口。
應(yīng)用框架（AF）包含了ZigBee 簇庫，為應(yīng)用提供了一個運行框架。ZigBee 中使用應(yīng)用對象來區(qū)分一個節(jié)點上不同的應(yīng)用，每個節(jié)點上最多能有240 個應(yīng)用對象共享一個無線收發(fā)模塊。
所有的層都維護一個信息數(shù)據(jù)庫，信息數(shù)據(jù)庫中記錄了層的當前設(shè)置，可以通過高層或者是管理SAPs 來設(shè)置信息數(shù)據(jù)庫中的域。
4 ZigBee 應(yīng)用于家庭無線控制的關(guān)鍵
4.1 應(yīng)用對象和綁定
應(yīng)用對象是應(yīng)用層中的一種規(guī)范，一個應(yīng)用對象就是一種應(yīng)用的實現(xiàn)，比如燈的開關(guān)為一個應(yīng)用對象。ZigBee 通信其實就是應(yīng)用對象之間通過簇交換信息的過程。每個物理節(jié)點最多能包含256 個應(yīng)用對象，地址從0 到255，可供用戶使用的為1~240，其中應(yīng)用對象0和255 為兩個特殊對象，0 用來配置和管理整個ZigBee 設(shè)備，255 為廣播對象，241~255 為保留對象[5]。應(yīng)用對象的引入使得不同的應(yīng)用剖面可以共存在同一個節(jié)點中；不同的控制可以在同一個節(jié)點中實現(xiàn)；不同的應(yīng)用可以共用同一個射頻收發(fā)設(shè)備。大幅度地降低了構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。
綁定是指在兩個應(yīng)用對象上建立一條邏輯鏈路，綁定機制允許將兩個互補的應(yīng)用對象進行配對，使得應(yīng)用服務(wù)在不知道目標地址的情況下也能向?qū)Ψ降膽?yīng)用服務(wù)發(fā)送數(shù)據(jù)包。發(fā)送時使用的目標地址將由應(yīng)用支持子層從綁定表中自動獲得[5] [6]。綁定表由應(yīng)用支持子層實時維護，當一個設(shè)備的短地址發(fā)生改變時，綁定表入口將由APS 自動更新。經(jīng)過綁定的應(yīng)用對象在發(fā)送數(shù)據(jù)時不用關(guān)注自己的目標對象的地址，數(shù)據(jù)會自動發(fā)送到所有已和其綁定的目標對象中，節(jié)省了節(jié)點開銷提高了傳輸效率。在ZigBee 協(xié)議中綁定是一種雙向多路選擇，一個應(yīng)用對象可以和多個其他能配對的應(yīng)用對象進行綁定，如下所示：
ZigBee 應(yīng)用對象可以通過自動綁定，輔助綁定，集中式綁定，或是由應(yīng)用層來建立綁定。ZigBee 的綁定機制使得家庭無線控制網(wǎng)絡(luò)中的具有操作關(guān)聯(lián)性的設(shè)施集中到有限的物理節(jié)點上，有效降低了網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度和系統(tǒng)成本。
4.2 頻率捷變
ZigBee 采用的2.4GHz ISM 頻帶為免執(zhí)照頻帶，使用這一頻帶意味著能將設(shè)備快速部署到全球，并且?guī)砀叩男詢r比，和市場占有率，因此共享此頻帶的無線通信技術(shù)不斷的增加，這些除ZigBee 以外的2.4GHz 通信設(shè)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(shè)備的良好共存。
頻率捷變是一種極其緩慢的跳頻算法。數(shù)據(jù)包錯誤率 (PER) 高于特定閾值之前，網(wǎng)絡(luò)會一直停留在同一通道上。在實際應(yīng)用中，當其發(fā)現(xiàn)一個受干擾極少的通道時，它就會停留在那里直至發(fā)生新的干擾。頻率捷變的優(yōu)點在于，當干擾模式發(fā)生極小變化時，開銷極小，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，該系統(tǒng)應(yīng)有足夠的耐心去等待跳頻干擾源轉(zhuǎn)移至下一個通道，并且當一個新的靜態(tài)干擾源干擾系統(tǒng)時它可以繼續(xù)迅速傳輸。頻率捷變示意圖如下所示：
4.3 家庭無線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
集中控制器是整個系統(tǒng)中的控制設(shè)備，采用高性能的RSIC 結(jié)構(gòu)微處理器構(gòu)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)的模塊以實現(xiàn)家庭設(shè)備的隨時隨地監(jiān)控。由于單個家電設(shè)備的控制一般比較簡單，所以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用高集成度的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?guī)в性鰪娦偷? 位MCU，在實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)的同時就能完成對家電設(shè)備的控制。不但節(jié)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(jié)構(gòu)的選取關(guān)系到家庭無線控制系統(tǒng)的性能，對于家庭無線網(wǎng)絡(luò)具有以下的約束：節(jié)點設(shè)備數(shù)量巨大且不統(tǒng)一；室內(nèi)環(huán)境阻擋較多；系統(tǒng)開銷盡可能小，成本盡可能低；家庭中有可能有多種無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，簇狀網(wǎng)絡(luò)是一種點對點拓撲結(jié)構(gòu)的擴展，支持ad-hoc 網(wǎng)絡(luò)，允許通過多跳路由的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)，它不但覆蓋范圍寬易于擴展，而且降低了中心節(jié)點的負載水平。
可將家庭設(shè)施分門別類后作為路由節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，每個類別的子設(shè)備之間可以通過類別路由節(jié)點進行互操作，當有新的設(shè)施購入時可以作為路由節(jié)點或者某個類別的子節(jié)點加入。
ZigBee 是一項新興的短距離無線通信技術(shù), 它彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺, 是無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)不可缺少的組成部分。同時，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 ZigBee 技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，其大量豐富而便捷的應(yīng)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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