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Zigbee实现智能家庭网络

2008年09月17日 ?? 收藏0

  1 引言

  智能家庭一直是现代科学技术的一个发展方向。在您的家里,您可以使用一个简单的控制器就能控制室内空调系统的运行,同时还可以用它来控制每个房间灯光的开关和明暗、窗帘的闭合和打开。家里如果有老年人或是行动不便者,还可以用它作为紧急呼叫器,电视机和音响也能用它来进行控制。这样的一个万能遥控器用 Zigbee技术就能实现。而且不仅如此,如果在您的键盘、鼠标、游戏摇杆上装有 Zigbee元件,它们也都可以变成无线的。 Zigbee还能装载在家中的烟雾侦测器、门禁系统中,成为您家中安全的保障。

  2 Zigbee技术

  Zibee设备是一种拓展性强,易布建,低成本的无线网络设备,具有低耗电、双向传输和感应功能等特点。Zibee技术的物理层和MAC层标准的制定工作是在IEEE802.15.4任务组中进行。IEEE在2000年 12月成立了802.15.4小组,致力于对较长使用寿命 (电池可以维持数月至数年)、低复杂度、可应用于传感器、互动玩具、智能标记、远程控制和自动化家庭的低速率通信解决方案的研究。IEEE 802.15.4标准在 2003年5月通过。

  Zigbee设备工作在2.4GHz全球通用ISM频段和 868MHz(欧洲ISM频段)/915MHz(北美ISM频段)3 个频段,采用二进制相移键控(BPSK)、偏移正交相移键控(O-QPSK)调制方式,发射功率在-3dBm以上,速率可以到达20/40/250kbit/s。具体的物理层参数指标参见表1。

IEEE802

  IEEE 802.15.4定义了一种可选的MAC层超帧结构,超帧包括活跃(Active)和非活跃(Inactive)两部分。在非活跃部分,设备可以进入低功耗模式(休眠状态);在活跃部分又分为竞争期和非竞争期,竞争期提供给以CSMA-CA方式接人的设备使用,非竞争期由若干保障时隙组成,提供给某些需要保留一定数据带宽的设备。这种超帧结构体现了IEEE 802.15.4低功耗的一大特点,非活跃期的引入限制了设备之间收发信机的开通时间,在无数据传输时使它们处于休眠状态,从而大大节省了功率开支。

  Zigbee设备分为全功能设备和精简功能设备,精简功能设备相对全功能设备协议栈简单并且内存更小,只能和某个全功能设备进行交互。而全功能设备具有完备的IEEE 802.15.4协议功能,能与其传输范围内的任何节点进行交互。两种设备相互组合,可以组成网状网络、星型网络和树型网络。

  Zigbee是第一种用于传感器与制动器等监测和控制应用的开放无线标准。Zigbee采用网格网络 (MeshNetwork)分布式网络架构,可提供多条传输路径,故能提高网络的可靠性和扩展性。网格网络分布式网络架构的自我修复能力同时能使Zigbee网络稳定可靠,亦即网络只要包含足够的路由器节点,就算某个路由器节点发生问题,例如操作环境包含Wi-Fi 等同样使用ISM频带的干扰源,数据仍能经由其它路径抵达目的地,Zigbee网络即可稳定工作。

  Zigbee技术的主要优势包括:

  (1)低功耗,省电:由于Zigbee传输速率低,传输数据量相对少,因而收发信息的时间少;另外,Zigbee 设备在非工作状态可处于睡眠模式,所以非常省电,其电池寿命可持续几个月到几年;即使是电源供电条件下其功耗也远远低于Wi-Fi和Bluetooth。

  (2)高可靠性:由于采用载波侦听多点接人/冲突避免(CSMA/CA)的媒体访问控制协议以及应答式通信机制,每次数据发送成功时都由接收方确认收到,没有得到确认的数据说明发生了碰撞,可进行重传。这种机制大大提高了通信的可靠度。

  (3)网络可扩充性:Zigbee设备可以使用64bit的 IEEE物理地址,也可以使用l6bit的网络短地址,这样整个网络规模可达到6.5万个以上的节点;另外, Zigbee网络采用自组织网络(AdHoeNetwork)的结构,在网络的组建和维护上都具有相当大的灵活度,因而Zigbee在网络上的优势不容忽视。

  (4)架构简单,易实现,其协议栈大小约为Blue- tooth的1/4。

  (5)低成本,目前其芯片的批量购买价格已低于每块3美元。

  Zigbee技术可以应用到医疗卫生中的远程监测病人身体状况、家庭自动化中的照明设备、空调设备、门禁系统的远程控制,另外在工农业生产中也有很广泛的应用,如工业中的数据自动采集和处理,农业中自动化、网络化和智能化的远程控制设备进行播种。


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