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家庭無線控制系統中ZigBee技術的應用研究
1 引言
人們生活水平的提高和經濟社會的發展，使的如何提高人們的生活質量，讓人們的生活更加便捷、高效、安全、舒適成為了各個學科領域的研究熱點。無線通信技術和計算機科學技術的飛速發展使本來處于科技尖端的各種技術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，無線網絡成為家庭智能控制系統的首選，這不僅是因為無線網絡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絡的通訊特點[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，其最初的應用領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 技術的不斷改進、成熟，更顯現出在家庭智能控制領域的強大優勢。本文將介紹ZigBee 的特點及其優勢，分析ZigBee協議棧，并指出將ZigBee 應用于家庭控制領域的幾點關鍵。
2 ZigBee 技術
ZigBee 技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術，它主要工作在無須注冊的ISM 頻段，典型傳輸范圍在10～ 75m。ZigBee 主要通過降低收發信機的忙閑以及數據傳輸的頻率，降低幀開銷，并且實行嚴格的功率管理機制, 例如關機及睡眠模式等方式來降低設備的綜合功耗。ZigBee 基于 IEEE802.15.4 無線標準研制，它在IEEE802.15.4 規范的基礎上定義了高層規范，達到了產品的互操作和兼容性。ZigBee 協議棧由高層應用規范、應用支持子層、網絡層、媒體訪問控制層和物理層組成，網絡層及其以上的協議由ZigBee 聯盟負責制定，IEEE 則制定物理層 ( PHY) 和媒體訪問控制層 (MAC)標準[2]。
2004 年ZigBee Alliance 發布了第一個規范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 年發布了ZigBee Special2006 和ZigBee Special 2007，在ZigBee Special 2007 中對組網方式，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 技術逐漸完善。2009 年ZigBee Alliance 發布了最新的RF4CE 規范[3]，進一步完善了ZigBee 在無線傳感控制領域的應用。ZigBee 致力于低速率、高效率，相對于目前存在的其他無線網絡技術具有以下優勢：
功耗低：工作模式情況下，ZigBee 技術傳輸速率低，傳輸數據量很小，因此信號的收發時間很短，在非工作模式時，ZigBee 節點處于休眠模式。且通信時延和從休眠狀態激活的時延都很短，設備搜索時延一般為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。同時， ZigBee 技術在協議上對電池使用也作了優化。ZigBee 節點的電池工作時間可長達數年。
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立刻傳送，發送的每個數據包都必須等待接收方的確認信息，并進行確認信息回復，若沒有得到確認信息的回復就表示發生了碰撞，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 網絡具有自組織及自愈功能：網絡節點能自動感知其他節點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網絡；增加、刪除或移動節點，節點發生故障等等，網絡都能夠自我修復。這點很適合家庭中隨時增加或移除家電的情況。
網絡容量大：一個ZigBee 網絡可容納一個主（Master）設備和254 個從（Slave）設備。
若是通過網絡協調器（Network Coordinator），整個網絡最多可支持超過64000 個節點，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）的對稱密碼。AES 可以用來保護數據凈荷和防止攻擊者冒充合法器件。
實現成本低：由于其協議免專利費用，使用頻段免執照,協議套件緊湊而簡單，所以實現成本很低。
為降低功耗和系統開銷，ZigBee 將網絡中的設備劃分為兩類，一種是全功能器件（FFD），它承擔網絡協調者的作用，可以用來建立網絡和充當路由設備，可以同網絡中的任何設備通信，支持任何拓撲結構；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構中。
3 ZigBee 結構
ZigBee 采用OSI 分層結構，但是并沒有完全實現OSI 的7 層結構網絡模型，其結構如下所示：
ZigBee 協議棧的不同層通過服務接入點（SAPs）進行通信, 大多數層有兩個接口：數據實體接口和管理實體接口。數據實體接口的目標是向上層提供所需的常規數據服務。管理實體接口的目標是向上層提供訪問內部層參數、配置和管理數據的機制[3]。
物理層（PHY）由射頻收發器及底層控制模塊組成，負責數據包的發送和接收，采用直接序列擴頻技術降低了數字集成電路的成本。媒體訪問控制層（MAC）提供了網絡的定義，包括PAN ID，網絡發現，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議來提高數據傳輸的可靠性。
網絡層（NWK）負責拓撲結構的建立和維護，命名和綁定服務，包括網絡中數據包的廣播，決定數據包的路由，確保數據包點對點正確可靠傳輸等。
應用支持子層（APS）充當應用對象上的過濾器，它負責管理應用對象的應用剖面和組，發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，網絡層傳遞消息的映射，并維護一個本地綁定表。
ZigBee 設備對象（ZDO）包括了ZigBee 設備屬性層（ZDP）負責本地和空中網絡管理，全局設備管理，安全機制及當前節點的網絡狀態，提供了發現服務和服務發現，綁定和特殊安全設置等功能，為應用層提供了直接與網絡層交互的接口。
應用框架（AF）包含了ZigBee 簇庫，為應用提供了一個運行框架。ZigBee 中使用應用對象來區分一個節點上不同的應用，每個節點上最多能有240 個應用對象共享一個無線收發模塊。
所有的層都維護一個信息數據庫，信息數據庫中記錄了層的當前設置，可以通過高層或者是管理SAPs 來設置信息數據庫中的域。
4 ZigBee 應用于家庭無線控制的關鍵
4.1 應用對象和綁定
應用對象是應用層中的一種規范，一個應用對象就是一種應用的實現，比如燈的開關為一個應用對象。ZigBee 通信其實就是應用對象之間通過簇交換信息的過程。每個物理節點最多能包含256 個應用對象，地址從0 到255，可供用戶使用的為1~240，其中應用對象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節點中；不同的控制可以在同一個節點中實現；不同的應用可以共用同一個射頻收發設備。大幅度地降低了構建網絡系統的復雜度和成本。
綁定是指在兩個應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用對象進行配對，使得應用服務在不知道目標地址的情況下也能向對方的應用服務發送數據包。發送時使用的目標地址將由應用支持子層從綁定表中自動獲得[5] [6]。綁定表由應用支持子層實時維護，當一個設備的短地址發生改變時，綁定表入口將由APS 自動更新。經過綁定的應用對象在發送數據時不用關注自己的目標對象的地址，數據會自動發送到所有已和其綁定的目標對象中，節省了節點開銷提高了傳輸效率。在ZigBee 協議中綁定是一種雙向多路選擇，一個應用對象可以和多個其他能配對的應用對象進行綁定，如下所示：
ZigBee 應用對象可以通過自動綁定，輔助綁定，集中式綁定，或是由應用層來建立綁定。ZigBee 的綁定機制使得家庭無線控制網絡中的具有操作關聯性的設施集中到有限的物理節點上，有效降低了網絡復雜度和系統成本。
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能將設備快速部署到全球，并且帶來更高的性價比，和市場占有率，因此共享此頻帶的無線通信技術不斷的增加，這些除ZigBee 以外的2.4GHz 通信設備就成為了ZigBee 網絡中的干擾源。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，網絡會一直停留在同一通道上。在實際應用中，當其發現一個受干擾極少的通道時，它就會停留在那里直至發生新的干擾。頻率捷變的優點在于，當干擾模式發生極小變化時，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，該系統應有足夠的耐心去等待跳頻干擾源轉移至下一個通道，并且當一個新的靜態干擾源干擾系統時它可以繼續迅速傳輸。頻率捷變示意圖如下所示：
4.3 家庭無線控制系統結構
集中控制器是整個系統中的控制設備，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，還帶有能與其他網絡互聯的模塊以實現家庭設備的隨時隨地監控。由于單個家電設備的控制一般比較簡單，所以網絡節點采用高集成度的ZigBee SOC 器件，比如典型的CC2430,CC2530，他們不但具有完整的射頻收發電路而且帶有增強型的8 位MCU，在實現無線數據收發的同時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。
網絡拓撲結構的選取關系到家庭無線控制系統的性能，對于家庭無線網絡具有以下的約束：節點設備數量巨大且不統一；室內環境阻擋較多；系統開銷盡可能小，成本盡可能低；家庭中有可能有多種無線網絡系統所以要求網絡具有一定的健壯性。針對這些約束采用簇狀網絡結構，簇狀網絡是一種點對點拓撲結構的擴展，支持ad-hoc 網絡，允許通過多跳路由的方式在網絡中傳輸數據，它不但覆蓋范圍寬易于擴展，而且降低了中心節點的負載水平。
可將家庭設施分門別類后作為路由節點加入網絡，每個類別的子設備之間可以通過類別路由節點進行互操作，當有新的設施購入時可以作為路由節點或者某個類別的子節點加入。
ZigBee 是一項新興的短距離無線通信技術, 它彌補了低成本、低功耗和低速率無線通信市場的空缺, 是無線個人區域網絡不可缺少的組成部分。同時，它也已被業界認同為傳感網絡的基本通信技術。隨著 ZigBee 技術的不斷完善和發展，其大量豐富而便捷的應用，保證了 ZigBee 技術具有獨特的生存空間。
參考文獻
[1] 周游, 方濱, 王普, 基于ZigBee 技術的智能家居無線網絡系統[J].電子技術應用, 2005,9.
[2] IEEE 802 Std 802.15.4.Wireless Medium Access Control(MAC) and Physical Layer (PHY). Specifications forLow Rate Wireless Personal Area Network[S].
[3] ZigbeeAlliance. [EB/OL].2009-05.
[4] Drew Gislason. ZigbeeWirelessNetworking[M]. Newnes，2008.8.29.
[5] Zigbee Alliance.Zigbee Specification2006. [S].
[6] Rogelio Reyna Garcia. Understanding the Zigbee stack. [EB/OL].2008.
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