ZigBee技术在智能家居中的应用
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z i g B e e 技术在智能家居中的应用【关键词】z i g B e e 智能家居 智 文 I 北京中讯威易科技公司 王永春 能 家 居,又 称 智 能 住 宅,在 国 外 常 用 S m a r t H 0 m e表 示。与 智 能 家 居 含 义 近 似 的 有 家 庭 自 动 化(H o m e A u t o m a t i o n)、电 子 家 庭(El ecct r oni c Home、Eh 0me)、数 字 家 园(D j g j t a J F a m j J y)、家 庭 网 络(Ho me Ne t Ne t w0 r k s f or h ome)、网 络 家 居(Ne t wo r k Ho me)、智 能 家 庭 建 筑 1 2 8-2信 息导 引及 发布 系统应 能对 住 宅建筑(小 区)内 的公 众或 来 访者提 供告 知、信息 发布 及 查 询等 功能。1 2 8 3信 息显 示屏 可根 据所 需提供 观 看的范 围、距离 及具体 安 装 的空 间位 置及 方式 等条 件合 理 选 用 显 示屏 的类 型及 尺 寸。各 类 显 示屏 应 具 有 多种 输入 接 口方式。信息 显 示 屏 宜采 用 单 向传 输 方 式。1 2 8 4信息 导引 系统 宜采用触摸 屏查 询双 向传输 方式。1 2 9家居 配 线 箱 1 2 9 1新建城 市住 宅建 筑应设 置家 居配线 箱,新 建村镇 住宅 建筑 宜设置 家居 配线箱。1 2 9 2家 居配线箱 内的模 块 宜采用 后进线 设计,模 块应 按不 同功能 区分。1 2 9 3家 居配线 箱宜安 装在起 居室便 于维修 维护 处。箱底距 地0 5 m。1 2 9 4有源 家居 配线箱应 预 留电源 接 口。1 2 1 0家居 控 制 器 1 2 1 0 1智能化 的住 宅建筑(小 区)宜设 置 家居控 制器。1 2 1 O 2家 居 控制器 将 家居 报警、家用 电器监 控、表 具 数据采 集及处 理、访 客对 讲、通信 接 口 等 集 中管理,便于维 护、维修。1 2 1 0 3固定式 家 居控制器 应安 装在起 居室 内。箱底 安装 高度 宜为 1 3 1 5 m。1 2 1 0 4家居 控制器 的 网络 接 口协 议 由工程设 计确定。1 2 1 0 5家居报 警 宜包括火 灾 自动报警 和入侵 报警,设计 参照本 规范 第 1 5-2、1 5 3 节有 关内容。1 2 1 0 6家 用 电器 的监 控包 括:照 明灯、窗 帘、遮 阳装 置、空调、热 水器、微 波 炉等 的监 视 和 控制。1 2 1 0 7表具 数据 自动抄 收及远 传的设计 参 照本规 范第 1 4 3 节有 关内容。1 2 1 0 8访客对 讲 的设计参 照本章 节 1 5 3 有 关 内容。回 7 6 智能建筑与城市信息 2 0 0 9 年 第7期 总第7 4 6 期(I n t e l i g e n t Ho me Bu l l d i n g),在 我 国 香 港 和 台 湾 等 地 区,还 有 数 码 家 庭、数 码 家 居 等称 法。智能 家 居 一 般 是 以住 宅 为平 台,综 合 建 筑 装 潢、网 络 通 信、信 息 家 电、设 备 自 动 化 等 技 术,将 系 统、结 构、服 务、管 理 集 成 为 一 体 的 高 效、安 全、便 利、环 保 的 居 住 环 境。智 能 家 居 可 以定 义 为 一个 目标 或 者 一 个 系统。利 用先 进 的计 算 机 技 术、网络 通 信 技 术、自动 控制 技 术 等,将 与 家庭 生 活有 关 的 各 种 应 用 子 系 统 有 机 地 结 合 在 一 起,通 过 综 合 管理,让 家 庭 生 活更 舒 适、安全、有 效 和 节 能。与 普 通 家 居相 比,智 能 家居 不 仅 具 有 传 统 的居 住 功 能,还 能 提 供 舒 适 安全、高 效 节 能、具 有 高 度人 性 化 的 生 活 空 间;将 一 批 原 来被 动 静 止 的 家居 设 备 转 变 为具 有“智 慧”的工 具,提 供 全 方 位 的信 息 交 换 功 能,帮 助 家庭 与 外 部保 持 信 息 交 流 畅通,优 化 人 们 的生 活 方 式,帮助 人 们 有效 地 安 排 时 间,增强 家 庭 生活 的安 全 性,并 为家 庭 节 省 能源 费用等。智 能 家 居 中 的 关 键 技 术 是 网 络 通 信 技 术,网 络 通 信 的 可 靠 性 决 定 了 整 个 智 能 家 居 系 统 的 稳 定 性。智 能 家 居 中 的 通 信 方 式 大 致 分 为 有 线 和 无 线 两 种。有 线 方 式 有 电 力 线 载 波 通 信、总 线 网络 等。无 线 方 式 有 蓝 牙(BI ue t oo t h)、Zj gBee、Wi Fi、Wi MAX、无 线 USB、UW B等。无 线 方 式 的 优 点 在 于 无 需 布 线,大 大 降 低 了 施 工 难 度。在各 种 无线 通 信 标 准 中,Zi gB e e 技 术 由 于 低 功 耗、容 量 大、安 全 性、组 网 方 便 等 诸 多 优 势,使 其 在 激 烈 的 竞 争 中 能 够 脱 颖 而 出。Z i g Be e 是 I E E E(美 国 电 子 和 电 气 工 程 师协 会)8 0 2 1 5 4 通 信 协 议 的代 名 词。这 个协议 规定 的Zi gB e e 技术 是一种短 距离、低 功 耗 的 无 线 通 信 技 术。这 一 名 称 来 源 与 蜜 蜂 的 八 字 舞 有 关,由于 蜜 蜂(b e e)是 以 之 字 形(z i g)地 舞 蹈 来 与 同伴 传 递 花 粉 所 在 方 位 信 息,构 成 了 蜜 蜂 群 体 中 的 通 信 网 络。这 种 无 线 网 络 适 合 用 于 自动 控 制 和 远 程 控 制应 用。1 Z i g B e e的起源与发展 2 0 0 0 年 的1 2 月,l E E E 成立 了I E E E 8 0 2 1 5 4 工作 组,致 力于开 发一种可应 用在 固定、便 携 或移 动设备 上 的,低 成本、低 功耗 的低速率 无 线连 接技术。2 0 0 1 年 8 月,美 国霍 尼 韦 尔 等 公 司 发起 成 立 了Z i g B e e 联盟,他们 提 出 的Z j g B e e 技术 被确 认 为I E E E 8 0 2 1 5 4 标 准。2 0 0 2 年,摩 托 罗 拉、飞 利 浦 和三 菱 等企 业 加盟 Z i g B e e 联 盟,0 6 年 中国 的华 为公 司也 加入 了该联 盟。现 联盟 内有 1 8 0 多个 成 员企业,包括软 件 供应 商、系统 集成 商和 终端产 品 商。2 0 0 3 年,I E E E 8 0 2 1 5 4 标准 获得 通过,并在 2 0 0 4 年 1 2 月推 出 了Z i g B e e 技 术 规范 1 0 版 本。2 0 0 6 年,推 出Z ig B e e 2 0 0 6,比较 完善。2 O 07 年 底,推 出Zi gBe e PR o。2 Z i g B e e无线数据传输网络描述 Z i g B e e 是 一个 由可 多到6 5 0 0 0 个 无线 数 据 传输 模 块 组 成 的 一个 无线 数 传 网络,每 一 个 Z i g Be e网络 数 传 模 块 类似 移 动 通 信 网 络 的一 个 基 站。每 个 网络 节 点 问 的 距 离可 以从 标 准 的7 5 m,到 扩 展 后 的 几 百 米,甚 至 几 千 米;另 外 整个 Zi g Be e网络 还 可 以与 现 有 的 其 它 的各 种 网络 连 接。例 如,可 以通 过 互 联 网在 北 京 监 控 山 东 某 地 的 一 个 Zi gB e e 控 制 网络。不 同 的 是,Zi gBe e 网 络 主 要 是 为 自 动 化 控 制 数 据 传 输 而 建 立,而 移 动 通 信 网 主 要 是 为 语 音 通 信 而 建 立;每 个 移 动 基 站 n t e I l i g e n l B u iI d j n gCi l y I n f 0 r ma t io n 2 0 0 9 7 7 4 6 77 R 住 宅 科 技 e sid e n c e S c je n c e a n d Te c h n 0 lO g y 价 值 一 般 都 在 百 万 元 人 民 币 以 上,而 每 个 Z i g B e e“基 站”却 不 到 1 0 0 0 元 人 民 币;每 个 Z i g B e e 网络 节 点 不 仅 本 身 可 以与监 控 对 象,例 如 传 感 器连 接 直 接 进行 数 据 采 集和 监 控,它还 可 以 自动 中转 别 的 网络 节 点 传过 来 的数 据 资 料;除此 之 外,每 一 个 Zi gB e e 网 络 节 点(F F D:F uI I Fu n c t i on De v i c e,全 功 能设 备)还 可在 自己信 号覆 盖 的范 围 内,和 多个不 承 担 网络信 息 中转任 务 的孤 立 的子 节 点(RF D:Re du c ed F u n c t i 0 n De v i c e,精简功能设备)无线连接。每个 Z i g B e e 网络 节 点 可 以支持 多到3 1 个 的传 感器 和受 控 设备,每 一 个传 感 器 和 受控 设 备终 可 以有8 种不 同的接 口方式。节点 可 以 采 集和 传输数 字量 和模拟 量。Z i g B e e 技 术 主要 应 用 在短 距 离范 围内 以 及 数 据传 输 速 率 不高 的各 种 电子 设 备 之 间 的 通 信,因 此 非常 适 用 于 家 电和小 型 电子设 备 的无线 控制指 令传 输。其 典 型 的 传 输 数 据 类 型 有 周 期 性 数 据(如 传 感 器),间歇 性数 据(如 照 明控 制)和重复 低反应 时 间数据(如 鼠标)。3 Z i g B e e技术的主要特点(1】低速 率 数 据 传 输 速 率 只 有 2 02 5 0Kbps,根 据 所 处 的 频 段 不 同,分 别提 供 2 5 0 Kb p s (2 4G Hz),40Kb ps (9 1 5M Hz)和 2 0 K b p s(8 6 8 MH z)的原 始数据 吞 吐率,满 足低速 率传 输数 据 的应 用需 求。(2)低 功耗 在待机 模 式 下,两节 普通5 号 电池 可使 用 62 4 个 月。(3)低 成本 因 为 Zi g Be e 数 据 传 输 速 率 低,协 议 简 单,所 以大大 降低 了成本。且 Z i g B e e 协 议 免 收 专利 费 Z i g B e e 网络 节点模 块 一般在 1 0 0 0 元 以下,而 主 要使 用 的 网络 子节 点 的价 格 可 7 8 智能建筑与城市信息 2 0 0 9 年 第7期 总第7 4 6 期 降到 1 0 0 元 以下。(4)网络 容量 大 Z i g B e e 网 络可 由一个 节 点管 理 若 干子 节 点,最 多一 个节 点可 以管理2 5 4 个子 节点。同 时该 节 点 还 可 由上 一 层 网络 节 点 管理。可组 成6 5 5 3 6 个节 点 的大型 网络。(5)时延短 Z i g B e e 的 响应 速 度较 快,一 般 从 睡眠状 态 转 入 工 作 状 态 只 需 1 5 ms,节 点 连 接进 入 网络 只 需 要 3 0 ms,进 一 步 节 约 了能源。相 对 而 言,B I u e t o o t h 需 要31 0 s,Wi F i 需 要 3s。(6)安 全性 高 Z i g B e e 提 供 了三级 安全 模式,包括 无 安 全 设定,使 用 接 入 控制 清 单(A CL 请 写 出原 文)防止 非 法 获取 数 据 以及 采用 高 级 加 密标 准(AE S 一 1 2 8)的对称 密 码,以灵活 确定 其 安全 性。4 Z i g B e e协议框架 完 整 的 Z i gB e e 协 议 框 架 由高 层 应 用 规 范、应 用会 聚 层、网络 层、数据 链 路 层和 物 理 层组 成。网络层 以上协 议 由Z i g B e e 联盟 制 定,l E E E 负 责物理 层和链 路层标 准。应 用 会 聚 层将 主 要 负责 把 不 同 的应 用 映 射 到Z i g B e e 网络上,具体 包括:安 全 与鉴 权;多个业 务数据 流 的会 聚;设 备发现;业务发 现。网络 层将 主 要 考虑 采 用基 于 a d h o c(对 等式 无 线 移 动 网络)技 术 的 网络协 议,应 包 含 以下 功能:通 用 的 网络层 功 能:拓扑 结 构 的搭建 和维护,命名和关联业务,包含了寻址、路 由和安全;同 I E EE 8 0 2 1 5 4 标 准 一 样,非 常 省 电:有 自组 织、自维 护 功 能,以 最 大 程 度 减 少 消 费 者 的 开 支 和 维 护 成 本。在 网 络 层 方 面,Z gBee 联 盟 制 订 可 以采 用 星 形 和 网 状 拓 扑,也 允 许 两 者 的 组 合,称 为 丛 集 树 状。根 据 节 点 的 不 同 角 色,可 分 为 全 功 能 设 备(F u l l F u n c t i o n De v i c e;F F D)与 精 简 功 能 设 备(Re d u ce dF u nc t i o n De v i c e;RF D)。RF D的 电 路 较 为 简 单 且 存 储 体 容 量 较 小。F F D的 节 点 具 备 控 制 器(Co n t r oI I e r)的 功 能,能 够 提 供 数 据 交 换,而 R F D则 只 能 传送 数据 给 F F D或 从 F F D 接 收数 据。J E E E 8 0 2 2 系列 标 准 把 数据 链 路 层 分 成 L L C(L o g i c a l L i n k C o n r o I,逻辑 链路 控制)和 MAC(Medi a Acc e s s Con t r ol,媒 介 接 入 控 制)两个 子 层。L L C子 层在 l E E E 8 0 2 6 (城 域 网访 问控 制 方 法与 物 理 层 规 范)标 准 中定 义,为8 02 标 准 系列 共 用;而 MAC子 层 协 议则依 赖于 各 自的物理 层。I E EE 8 0 2 1 5 4 的 MAC层 能 支 持 多 种 L L C标 准,通 过 S S CS(S e r v j c e S p e c c C o n V e r g e n c e Su b I a y e r,业 务相 关 的会 聚 子 层)协 议 承 载 I EE E 8 0 2 2 类 型 一 的 L L C标 准,同时也 允许 其 他 L L C标 准 直 接使 用 I E E E 8 0 2 1 5 4的MAC 层 的服 务。L L C子层 的主 要功 能包括:传输 可 靠性保 障 和控制;数 据包 的分段 与重 组:数据 包 的顺序 传输。J EEE 802 1 5 4的 MAC协 议 包 括 以 下 功 能:设备 问无线链路的建立、维护和结束;确认模 式 的帧传 送与 接收;信 道接 入控 制;帧校验;预 留 时隙管理;广 播信息 管理。I E E E 8 02 1 5 4定 义 了 两 个 物 理 层 标 准,分 别 是 2 4 GHz 物 理 层 和 8 6 8 9 1 5 MHz 物 理 层。两 个 物 理 层 都 基 于 DS S S(Di r e c t Sequ en c e Sp r e ad Sp ec t r u m,直 接 序 歹 0 扩 频),使 用 相 同 的 物 理 层 数 据 包 格 式,区 别 在 于 工 作 频 率、调 制 技 术、扩 频 码 片 长 度 和 传 输 速 率。2 4GHz 波 段 为 全 球 统 一的 无 需 申请 的 I SM频 段,有 助 于 Zi g Be e 设 备 的 推 广 和 生 产 成 本 的 降 低。2 4 GHz 的 物 理 层 通 过 采 用 高 阶 调 制 技 术 能 够 提 供 250Kbps 的 传 输 速 率,有 助 于 获 得 更 高 的 吞 吐 量、更 小 的 通 信 时 延 和 更 短 的 工 作 周 期,从 而 更加 省 电。86 8MHz 是 欧 洲 的 l SM 频 段,91 5MHz 是 美 国 的 f SM频 段,这 两 个 频 段 的 引入 避 免 了2 4GHz附 近 各 种 无 线 通 信 设 备 的 相 互 干 扰。8 6 8 MHz的 传 输 速 率 为20Kb p s,91 6MHz 是 4 0Kb ps。由于 这 两 个 频 段 上 无 线 信 号 传 播 损 耗 较 小,因此 可 以 降 低 对 接 收 机 灵 敏 度 的 要 求,获 得 较 远 的 有 效 通 信 距 离,从 而 可 以 用 较 少 的 设 备 覆 盖 给 定 的 区域。5 Z i g B e e技术在智能家居中的应用(1)自动报 警 系统 它 通 过 各 种 探 头、传 感 器 实 现 煤 气 泄 漏、红 外 线 防 盗、烟 雾及 紧 急 求助 报 警 等,报 警 信 号会 自动通 过 Z i g B e e 网络 传 往物 业 管 理 中心 或 用 户 的手 机 终 端,并 启动 相 关 联 动 装 置。(2)灯光 和家 用 电器 控 制系统 Zi g B e e 技 术 通 过 无线 方 式将 灯 光 和 家 用 电 器 连 接起 来,只 需使 用一 个 遥 控 器在 规 定 范 围 内就 可 以操 控各 种 家 用 电器,而且 遥 控 模 块 可 嵌 套 在 诸 如手 机 和 P D A之 类 的便 携 电 子 器 件 中,用 户 只需 在 手 机 上 设定 相 应 的操 作,灯 光 和 家 电就 会 按 照 规 定 自动 完 成 这 些 指 令,同时每 个 操 作 都 会 有 反馈 信 息 说 明操 作 已完 成。回 n t e ll i g e n t B u l ld in gCit y l n f 0 r ma t i o n 2 0 0 9 7 7 4 6 7 9
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