【文章內(nèi)容簡介】 術(shù)不適合數(shù)據(jù)的高速傳輸，而且也沒有任何標準來保證設(shè)備之間的互操作。 6 無線 家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 通過上節(jié)討論我們不難發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)的各種傳輸介質(zhì)存在著種種弊端。近幾年，多家著名 IT企業(yè)共同合作，推出一個名為 “ 無線家居 ” 的最新家居理念。“ 無線家居 ” 是未來家居的發(fā) 展方向，顯然能為人們?nèi)粘Ｉ钆c商務(wù)活動提供更大限度的舒適和方便，并從而開啟一個嶄新的信息家居時代。 在有線方式中，各傳感器和控制器的連接通過總線，它的優(yōu)點是可以簡化各功能單元的設(shè)計，缺點就是布線多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也存在總線協(xié)議設(shè)計選擇的問題；而相比 有 線技術(shù)，無線技術(shù)不僅不存在布線的問題，而且擴展容易，維護以及使用都較簡單。從目前的發(fā)展趨勢來看，無線技術(shù)應(yīng)用于智能家居中有很 大 的發(fā)展空間，一方面微電子技術(shù)的發(fā)展促使各種 SoC（ System on Chip，片上系統(tǒng) ） 的實現(xiàn)，協(xié)議的設(shè)計和實現(xiàn)都可以通過 IC來完成，大大 簡化了開發(fā)和實施的難度。在智能家居系統(tǒng)中，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)己 是 勢不可擋，這不僅僅因為無線網(wǎng)絡(luò)可以提供更大的靈活性、流動性，省去了花在綜合布線上的費用和精力，而且它更符合于家庭網(wǎng)絡(luò)的通訊特點，同時隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進一步發(fā)展，也必將大大促進家庭智能化、網(wǎng)絡(luò)化的進程。 目前，市場上的無線技術(shù)種類較多，各自的技術(shù)性能不同，應(yīng)用范圍及領(lǐng)域也有所不同，其中，應(yīng)用最為廣泛的有以下幾種無線技術(shù)： （ Bluetooth） 藍牙技術(shù) 誕生于 1994年， Ericsson當時決定開發(fā)一種低功耗、低成本的無線接口， 以建立手機及其附件間的通信。 1998年，由 Ericsson、 IBM、 Intel、 NOKIA、 Toshiba 等 5家公司達成一致，共同推出了藍牙協(xié)議，主要用于通信和信息設(shè)備的無線連接。藍牙協(xié)議 的標準版本為 ，由藍牙小組 （ SIG） 負責開發(fā)，規(guī)定了 PHY層、 MAC層、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層等集成協(xié)議 棧 。藍牙技術(shù)采用跳頻技術(shù)，工作于 ISM波段。與其它 ，速度更快。采用前向糾錯技術(shù)抑止了長距離鏈路隨機噪聲，應(yīng)用二進制調(diào)頻技術(shù)的調(diào)頻收發(fā)器來抑制干擾和防止衰落。藍牙的傳輸 速率為 1Mbps，傳輸距離為 ，但是通過增大發(fā)射功率可將距離增大至 100米。能即時組成微微網(wǎng)網(wǎng)絡(luò) （ Pico） ， 每個微微網(wǎng)可包含至多 8個節(jié)點，每個節(jié)點都可以作為主機和從機。藍牙技術(shù)存在著一定的局限，突出表現(xiàn)在芯片大小和價格難以下調(diào)、抗干擾能力不強、傳輸距離太短、信息安全問題等，使其應(yīng)用受 到一定的限制。 7 WiFi是一種無線通信協(xié)議，正式名稱是 ，與藍牙一樣，同屬于短距離無線通信技術(shù)。它的工作頻率也是 。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面比藍牙技術(shù)要差一些， 但在電波的覆蓋范圍方面卻略勝一籌，可達 100m左右。 WiFi是以太網(wǎng)的一種無線擴展，理論上只要用戶位于一個接入點四周的一定區(qū)域內(nèi)，就能以最高約 l1Mb/s的速度接入 Web。但實際上，如果有多個用戶同時通過一個點接入，帶寬被多個用戶分享， WiFi的連接速度一般只有幾百 kbps，在建筑物內(nèi)的有效傳輸距離小于戶外。 WiFi網(wǎng)絡(luò)節(jié)點最大個數(shù)為 32，傳輸距離為 100m。 （ IrDA） 1993年，由 20多個大廠商發(fā)起成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會 （ IrDA Infrared Data Association） ， 統(tǒng)一了紅外通信標準，該標準就是紅外技術(shù)，它通常采用 850mm的紅外光傳輸數(shù)據(jù)信息，紅外通訊技術(shù)是一種點對點的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，是傳統(tǒng)的設(shè)備之間連接線纜的替代。它的通訊距離一般在 0到 1米之間，傳輸速率最快可達 16Mbps，通訊介質(zhì)為波長為 900納米左右的近紅外線。它是目前在世界范圍內(nèi)被廣泛使用的一種無線連接技術(shù)，被眾多的硬件和軟件平臺所支持 ， 通過數(shù)據(jù)電脈沖和紅外光脈沖之間的相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)收發(fā)。主要是用來取代點對點的線纜連接；保密性強；傳輸速率較高，目前 4M速率的 FIR技術(shù)已被廣泛使用， 16M速率的 VFIR技術(shù)已經(jīng)發(fā)布。雖然紅外技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中已形成趨勢，但由于其傳輸距離有限．傳輸方向性強等缺點，在應(yīng)用范圍上受到了一定程度的限制。 （ Zigbee） Zigbee聯(lián)盟成立于 2002年 8月，由英國 lnvensys、三菱、美國摩托羅拉及荷蘭菲利浦組成，至今已吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司和開發(fā)商加盟。 IEEE專門成立了 、固定、便攜或移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)。 Zigbee是一種短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，強調(diào)低成本、低耗電 、雙向傳輸、傳感器網(wǎng)絡(luò)功能等特色。 Zigbee傳輸速度為 20k～ 250kbps，并隨著傳輸距離的延長而減慢，較藍牙的 1Mbps慢。 Zigbee適用于一些簡單、低成本的無線局域網(wǎng)絡(luò)，耗電低，只要使用兩節(jié)五號電池即可維持半年或數(shù)年 間 不用換電池，對于一般工業(yè)環(huán)境或家庭都很適用。 圖 熱門的幾種短距離無線通信技術(shù)之間的比較。 8 8 0 2 . 1 5 . 38 0 2 . 1 5 . 3 a8 0 2 . 1 5 . 3 cW i F i8 0 2 . 1 1W i M a x8 0 2 . 1 6I E E E 8 0 2 . 2 0I E E E 8 0 2B l u e t o o t h8 0 2 . 1 5 . 1Z i g b e e8 0 2 . 1 5 . 40 . 0 1 0 . 1 1 1 01 0 0W W A NW P A NW L A NW M A N數(shù) 據(jù) 速 率 （ M b p s ）圖 幾種無線技術(shù)的比較 本章小結(jié) 本章首先 對智能家居系統(tǒng)進行了簡要概述，包括智能家居的定義和國內(nèi)外智能家居系統(tǒng)的發(fā)展，接著對智能家居網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 分有線和無線兩方面分別進行了詳細的對比 介紹，對于智能家居系統(tǒng)來說，采用無線網(wǎng)絡(luò)不僅為家居智能化提供靈活簡便的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，省去了浪費在布線上的人力和物力，并且更符合家庭網(wǎng)絡(luò)通訊的特點，通過本章的討論，明確了智能家居網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式和采用的無線技術(shù)。 9 3 Zigbee 技術(shù)研究 Zigbee 技術(shù)的起源及特點 Zigbee是一種新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于 蜜蜂 （ bee） 是靠飛翔和嗡嗡 （ zig）地抖動翅膀的舞蹈來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。 Zigbee的基礎(chǔ)是 ，這是 IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng) （ Wireless Personal Area Network， WPAN） 工作組的一項標準，被稱作 （ Zigbee） 技術(shù)標準 。IEEE僅處理低級 MAC層和物理層協(xié)議，因此 Zigbee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和 API進行了標準化。 Zigbee網(wǎng)絡(luò) 是 由協(xié)調(diào)器發(fā)起的，每個協(xié)調(diào)器可連接多達 255個節(jié)點，而幾個協(xié)調(diào)器則可形成一個網(wǎng)絡(luò)，對路由傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制。 Zi gbee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會意外泄漏其標識，而且利用 Zigbee網(wǎng)絡(luò)遠距離傳輸，數(shù)據(jù)不會被其它節(jié)點所獲得。 Zigbee聯(lián)盟成立于 2001年 8月。 2002年下半年，英國 Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布，它們將加盟 “ Zigbee聯(lián)盟 ” ，以研發(fā)名為 “ Zigbee” 的下一代無線通信標準，這一事件成為該項技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑。到目前為止，除了Invensys、三菱電子、摩托羅拉和飛利浦等國際知名的大公司外，該聯(lián)盟大約已有 150家成員企業(yè)，并在迅速發(fā)展壯大。其中涵蓋了半導(dǎo)體生產(chǎn)商、 IP服務(wù)提供商、消費類電子廠商及 OEM商等，例如 Honeywell、 Eaton和 Invensys Metering Systems等工業(yè)控制和家用自動化公司，甚至還有像 Mattel之類的玩具公司。所有這些公司都參加了負責開發(fā) Zigbee物理和媒體控制層技術(shù)標準的 。 1999年，藍牙熱潮席卷全球，然而發(fā)展數(shù)年，一直受芯片價格高、廠商支持力度不夠、傳輸距離限制及抗干擾能力差等問題的困擾。低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)要求令 Zi gbee應(yīng)運而生，大幅簡化藍牙的復(fù)雜規(guī)格，專注于低傳輸應(yīng)用。 Zigbee技術(shù)的具體特點如下： Zigbee技術(shù)采用了多種節(jié)電的工作模式，可以確保兩節(jié)五號電池支持長達 6個月到 2年左右的使用時間； Zigbee采用了 CSMACA（ Carrier Sense Multiple Access with 10 Collision Avoidance，帶沖突避免的載波偵聽多路訪問） 的沖突避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突； MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息； Zigbee的自組織功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(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)； 增加或者刪除一個節(jié)點 、 節(jié)點位置發(fā)生變動 、 節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個系統(tǒng) 仍然能正常工作。 設(shè)備的復(fù)雜程度低，且 Zigbee協(xié)議是免專利費的，這些可以有效地降低設(shè)備成本， Zigbee的工作頻段靈活，為免執(zhí)照頻段的 ，就是沒有使用費的無線通信； 一個 Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多 254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在 200多個 Zigbee網(wǎng)絡(luò)； Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能 。 Zigbee 協(xié)議概況和體系結(jié)構(gòu) Zigbee協(xié)議使用 （ MAC） 和物理層 （ PHY） 。 3個工作頻帶： ， 915MHz， 868MHz。每個頻帶提供固定數(shù)量的信道。例如， 16個信道 （ 信道 1126） 、 915MHz頻帶提供 10個信道 （ 信道 1l0） 而 868MHz頻帶提供 1個信道 （ 信道 0） 。 低速無線個人區(qū)域網(wǎng) （ Lowrate Wireless Personal Area Network， LRWPAN） ，把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間 低速互連提供統(tǒng)一的標準。 LRWPAN網(wǎng)絡(luò)具有如下特點： 20kbps、 40kbps和 250kbps三種不同的傳輸速率； ； 16位和 64位兩種地址格式。 64位地址是全球唯一的擴展地址，而 16位地址是網(wǎng)內(nèi)通信短地址； （ CSMACA） ； （ ACK） 機制，保證傳輸?shù)目煽啃浴? 11 MAC數(shù)據(jù)包的最大長度為 127字節(jié)。每個數(shù)據(jù)包都由頭字節(jié)和 16位 CRC（ Cyclic Redundancy Code， 循環(huán)冗余碼 ） 值組成。 16位 CRC值驗證幀的完整性。此外， 。使用這種方法，所有ACK標志位置 1的幀均會被它們的接收器應(yīng)答。這就可以確定 幀 實際上已經(jīng)被傳遞了。如果發(fā)送幀的時候置位了 ACK標志位，但是在一定的超時期限內(nèi)沒有收到應(yīng)答，發(fā)送器將重復(fù)進行固定次數(shù)的發(fā)送，如仍無應(yīng)答就宣布發(fā)生錯誤。非常重要的是接收到應(yīng)答僅僅表示幀被 MAC層正確接收，而不表示幀被正確處理。接收節(jié)點的 MAC層可能 正確地接收并應(yīng)答了一 個幀，但是由于缺乏處理資源，該幀可能被上層丟棄。因此，很多上層和應(yīng)用程序要求其他的應(yīng)答響應(yīng)。 Zigbee技術(shù)是一種可靠性高、功耗低的無線通信技術(shù)，在 Zigbee技術(shù)中，其體系結(jié)構(gòu)通常由層來量化它的各個簡化標準。每一層負責完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)。各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路來提供服務(wù)。 Zigbee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)主要由物理 （ PHY） 層、媒體接入控制 （ MAC） 層、網(wǎng)絡(luò) /安全層以及應(yīng)用框架層組成， Zigbee技術(shù)是建立于 ， 要負責 物理層和 MAC層協(xié)議的制定，上層的應(yīng)用以及開發(fā)均由 Zigbee聯(lián)盟負責。其各層之間分布如圖 。 Z i g b e e 或 O E M 自 定 義 Z i g b e e 聯(lián) 盟I E E E 組 織應(yīng) 用 類應(yīng) 用 框 架網(wǎng) 絡(luò) 層 / 安 全 層 協(xié) 議M A C 層P H Y 層 圖 Zigbee協(xié)議各層的隸屬關(guān)系 Zigbee 物理層協(xié)議規(guī)范 物理層的主要工作是啟動與關(guān)閉無線傳輸接收器、傳輸與接收數(shù)據(jù)、使用頻道的選擇、在目前頻道上做訊號能量偵測、數(shù)據(jù)調(diào) 制 傳輸與接收解調(diào)、空閑頻道評估12 和針對接收的封包執(zhí)行鏈路品質(zhì)指示。 Zigbee所使用的頻率范圍主要分為歐洲領(lǐng)域內(nèi)的 868MHz、北美領(lǐng)域內(nèi)的915MHz以及 全球范圍內(nèi)的 ISM頻段。上述頻段無線信道個數(shù)分別為 16個。通常 Zigbee不能同時兼容這 3個工作頻段，我國規(guī)定 Zigbee的使用頻段為，發(fā)射功率范圍為 0至 +10dBm 在 ，規(guī)定了 250kbps，它采用 16相位準正交調(diào)制技術(shù)。在調(diào)制前，將數(shù)據(jù)信號進行轉(zhuǎn)換處理，每 4位信息比特組成一個符號數(shù)據(jù)，根據(jù)得到的符號數(shù)據(jù)，將其映射成一個 32位的偽隨機序列，最后通過半正弦脈沖形式的 OQPSK調(diào)制方法，將碼元數(shù)據(jù)調(diào)制到載 波信號上。 Zigbee M