家庭无线控制系统中ZigBee技术的应用研究

家庭无线控制系统中ZigBee技术的应用研究1引言人们生活水平的提高和经济社会的发展，使的如何提高人们的生活质量，让人们的生活更加便捷、高效、安全、舒适成为了各个学科领域的研究热点。无线通信技术和计算机科学技术的飞速发展使本来处于科技尖端的各种技术逐渐走入了人们的生活，逐渐成为人们生活的一部分，为人们带来更加人性化的家居生活体验。随着各种无线解决方案的提出，各种无线集成芯片和模块价格的不断下降，无线网络成为家庭智能控制系统的首选，这不仅是因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去花在综合布线上的费用和精力，而且更因为它符合家庭网络的通讯特点[1]——近距离、低速、实时。ZigBee从成立之初就致力于低功耗、低速率、高效率的短距离通信，其最初的应用领域就是面向家庭自动化，曾一度被称为“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”，随着ZigBee技术的不断改进、成熟，更显现出在家庭智能控制领域的强大优势。本文将介绍ZigBee的特点及其优势，分析ZigBee协议栈，并指出将ZigBee应用于家庭控制领域的几点关键。2ZigBee技术ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术，它主要工作在无须注册的ISM频段，典型传输范围在10～75m。ZigBee主要通过降低收发信机的忙闲以及数据传输的频率，降低帧开销，并且实行严格的功率管理机制,例如关机及睡眠模式等方式来降低设备的综合功耗。ZigBee基于IEEE802.15.4无线标准研制，它在IEEE802.15.4规范的基础上定义了高层规范，达到了产品的互操作和兼容性。ZigBee协议栈由高层应用规范、应用支持子层、网络层、媒体访问控制层和物理层组成，网络层及其以上的协议由ZigBee联盟负责制定，IEEE则制定物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)标准[2]。2004年ZigBeeAlliance发布了第一个规范ZigBeeV1.0，但由于推出比较仓促，并不实用。随后几年中ZigBeeAlliance不断壮大，分别于2006年和2007年发布了ZigBeeSpecial2006和ZigBeeSpecial2007，在ZigBeeSpecial2007中对组网方式，功耗管理及互操作性等方面进行了进一步的扩充和管理[3]，ZigBee技术逐渐完善。2009年ZigBeeAlliance发布了最新的RF4CE规范[3]，进一步完善了ZigBee在无线传感控制领域的应用。ZigBee致力于低速率、高效率，相对于目前存在的其他无线网络技术具有以下优势：功耗低：工作模式情况下，ZigBee技术传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短，在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模式。且通信时延和从休眠状态激活的时延都很短，设备搜索时延一般为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。同时，ZigBee技术在协议上对电池使用也作了优化。ZigBee节点的电池工作时间可长达数年。数据传输可靠：2.4GHz频段的ZigBee采用O-QPSK调制和直接序列扩频（DSSS）通信，为低信噪比环境的应用提供了额外的性能[4]。媒体接入控制层（MAC层）采用talk-when-ready的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这种方法大幅提高了系统信息传输可靠性。ZigBee网络具有自组织及自愈功能：网络节点能自动感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；增加、删除或移动节点，节点发生故障等等，网络都能够自我修复。这点很适合家庭中随时增加或移除家电的情况。网络容量大：一个ZigBee网络可容纳一个主（Master）设备和254个从（Slave）设备。若是通过网络协调器（NetworkCoordinator），整个网络最多可支持超过64000个节点，而且各NetworkCoordinator可互相连接。安全性高：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全性。第一级为无安全方式。对于第二级安全级别，器件可以使用接入控制清单（ACL）来防止非法器件获取数据。第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准（AES）的对称密码。AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件。实现成本低：由于其协议免专利费用，使用频段免执照,协议套件紧凑而简单，所以实现成本很低。为降低功耗和系统开销，ZigBee将网络中的设备划分为两类，一种是全功能器件（FFD），它承担网络协调者的作用，可以用来建立网络和充当路由设备，可以同网络中的任何设备通信，支持任何拓扑结构；另一种是简化功能器件（RFD），它只能与FFD通信，通常只用于星型拓扑结构中。3ZigBee结构ZigBee采用OSI分层结构，但是并没有完全实现OSI的7层结构网络模型，其结构如下所示：ZigBee协议栈的不同层通过服务接入点（SAPs）进行通信,大多数层有两个接口：数据实体接口和管理实体接口。数据实体接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务。管理实体接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制[3]。物理层（PHY）由射频收发器及底层控制模块组成，负责数据包的发送和接收，采用直接序列扩频技术降低了数字集成电路的成本。媒体访问控制层（MAC）提供了网络的定义，包括PANID，网络发现，时隙管理，信道接入以及安全机制等功能，采用载波侦听多址/冲突避免（CSMA/CA）的信道访问方式和完全握手协议来提高数据传输的可靠性。网络层（NWK）负责拓扑结构的建立和维护，命名和绑定服务，包括网络中数据包的广播，决定数据包的路由，确保数据包点对点正确可靠传输等。应用支持子层（APS）充当应用对象上的过滤器，它负责管理应用对象的应用剖面和组，发送消息前应用对象的应用剖面和组的归属检测，消息在不同应用对象上的路由，网络层传递消息的映射，并维护一个本地绑定表。ZigBee设备对象（ZDO）包括了ZigBee设备属性层（ZDP）负责本地和空中网络管理，全局设备管理，安全机制及当前节点的网络状态，提供了发现服务和服务发现，绑定和特殊安全设置等功能，为应用层提供了直接与网络层交互的接口。应用框架（AF）包含了ZigBee簇库，为应用提供了一个运行框架。ZigBee中使用应用对象来区分一个节点上不同的应用，每个节点上最多能有240个应用对象共享一个无线收发模块。所有的层都维护一个信息数据库，信息数据库中记录了层的当前设置，可以通过高层或者是管理SAPs来设置信息数据库中的域。4ZigBee应用于家庭无线控制的关键4.1应用对象和绑定应用对象是应用层中的一种规范，一个应用对象就是一种应用的实现，比如灯的开关为一个应用对象。ZigBee通信其实就是应用对象之间通过簇交换信息的过程。每个物理节点最多能包含256个应用对象，地址从0到255，可供用户使用的为1~240，其中应用对象0和255为两个特殊对象，0用来配置和管理整个ZigBee设备，255为广播对象，241~255为保留对象[5]。应用对象的引入使得不同的应用剖面可以共存在同一个节点中；不同的控制可以在同一个节点中实现；不同的应用可以共用同一个射频收发设备。大幅度地降低了构建网络系统的复杂度和成本。绑定是指在两个应用对象上建立一条逻辑链路，绑定机制允许将两个互补的应用对象进行配对，使得应用服务在不知道目标地址的情况下也能向对方的应用服务发送数据包。发送时使用的目标地址将由应用支持子层从绑定表中自动获得[5][6]。绑定表由应用支持子层实时维护，当一个设备的短地址发生改变时，绑定表入口将由APS自动更新。经过绑定的应用对象在发送数据时不用关注自己的目标对象的地址，数据会自动发送到所有已和其绑定的目标对象中，节省了节点开销提高了传输效率。在ZigBee协议中绑定是一种双向多路选择，一个应用对象可以和多个其他能配对的应用对象进行绑定，如下所示：ZigBee应用对象可以通过自动绑定，辅助绑定，集中式绑定，或是由应用层来建立绑定。ZigBee的绑定机制使得家庭无线控制网络中的具有操作关联性的设施集中到有限的物理节点上，有效降低了网络复杂度和系统成本。4.2频率捷变ZigBee采用的2.4GHzISM频带为免执照频带，使用这一频带意味着能将设备快速部署到全球，并且带来更高的性价比，和市场占有率，因此共享此频带的无线通信技术不断的增加，这些除ZigBee以外的2.4GHz通信设备就成为了ZigBee网络中的干扰源。从ZigBeeSpecial2007以后ZigBee提供了频率捷变方案及良好的选择性以保存与该频带中其他设备的良好共存。频率捷变是一种极其缓慢的跳频算法。数据包错误率(PER)高于特定阈值之前，网络会一直停留在同一通道上。在实际应用中，当其发现一个受干扰极少的通道时，它就会停留在那里直至发生新的干扰。频率捷变的优点在于，当干扰模式发生极小变化时，开销极小，而且吞吐量大；但是当受到像蓝牙这样的跳频干扰源干扰时，该系统应有足够的耐心去等待跳频干扰源转移至下一个通道，并且当一个新的静态干扰源干扰系统时它可以继续迅速传输。频率捷变示意图如下所示：4.3家庭无线控制系统结构集中控制器是整个系统中的控制设备，采用高性能的RSIC结构微处理器构建，除具备人性化的人机界面外，还带有能与其他网络互联的模块以实现家庭设备的随时随地监控。由于单个家电设备的控制一般比较简单，所以网络节点采用高集成度的ZigBeeSOC器件，比如典型的CC2430,CC2530，他们不但具有完整的射频收发电路而且带有增强型的8位MCU，在实现无线数据收发的同时就能完成对家电设备的控制。不但节约了单位成本，而且提供了更好的功耗控制和兼容性。网络拓扑结构的选取关系到家庭无线控制系统的性能，对于家庭无线网络具有以下的约束：节点设备数量巨大且不统一；室内环境阻挡较多；系统开销尽可能小，成本尽可能低；家庭中有可能有多种无线网络系统所以要求网络具有一定的健壮性。针对这些约束采用簇状网络结构，簇状网络是一种点对点拓扑结构的扩展，支持ad-hoc网络，允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据，它不但覆盖范围宽易于扩展，而且降低了中心节点的负载水平。可将家庭设施分门别类后作为路由节点加入网络，每个类别的子设备之间可以通过类别路由节点进行互操作，当有新的设施购入时可以作为路由节点或者某个类别的子节点加入。ZigBee是一项新兴的短距离无线通信技术,它弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺,是无线个人区域网络不可缺少的组成部分。同时，它也已被业界认同为传感网络的基本通信技术。随着ZigBee技术的不断完善和发展，其大量丰富而便捷的应用，保证了ZigBee技术具有独特的生存空间。参考文献[1]周游,方滨,王普,基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统[J].电子技术应用,2005,9.[2]IEEE802Std802.15.4.WirelessMediumAccessControl(MAC)andPhysicalLayer(PHY).SpecificationsforLowRateWirelessPersonalAreaNetwork[S].[3]ZigbeeAlliance.[EB/OL].2009-05.