Zigbee變革智能家居生活 豐富我們的空間

Zigbee是一種無線上網協議，在智能家居等方面，Zigbee得到眾多應用。它采用802.15.4標準作為其對等通信的基礎，該標準由ZigBee聯盟(ZigBee Alliance)開發並管理。

ZigBee最常用作異步通信標準，其具備CSMA/CA通道接入能力，並持有802.15.4標準所述的所有性能。針對相同市場範圍的情況下，相比之下ZigBee可為尋求準擔保信息交付、大規模輕松網絡集成以及設備間互操作性的開發人員供應眾多優勢，同時還供應眾多802.15.4標準不能直接解決的較高級別網絡問題的解決方案。

ZigBee網絡的實施有三種拓撲，如下圖所示:

圖1：ZigBee的拓撲結構

這些拓撲結構均由可達成三種邏輯抽象性能之一的802.15.4FFD和RFD節點供應幫助。必須為FFD的ZigBee協調器將啟動網絡和管理網絡連接與安全密钥等大多數網絡參數，是路由消息不可分割的組成部分。ZigBee路由器也必須為FFD，負責轉發往返於其他網絡節點的消息，並達成ZigBee網絡的網狀網特性，同時擴展網絡的總體覆盖範圍。ZigBee協調器與路由器一般由主電源供電，因為它們應能夠在任何時間接收和傳輸消息。如果預計應用的數據傳輸是周期性的，則ZigBee也可以采用802.15.4同步網絡的TDMA消息傳輸協議。ZigBee終端設備以RFD方式實施，可以最大限度地減少其占空比和資源要求，從而達成采用電池供電並長期工作的目的。深圳無線龍推出的LBee系列Zigbee無線模塊更是讓Zigbee應用變得簡單。

ZigBee理想適用於具有下列要求的應用：

● 采用標準化的物理層與較低層協議(IEEE 802.15.4);

● 標準化的較高層協議(比如網狀網拓撲，多跳等);

● 全面互操作性，甚至達到應用層級別(公共配置文件);

● 策劃與開發要求低(僅限於應用);

● 技藝幫助與維持廠商/供應商之間競爭激烈。

ZigBee可接受下列劣勢：

● ZigBeel Alliance成員費用;

● 認證費用(如果不專門針對符合ZigBee或者ZigBee認證的产品則無需此費用);

● 代碼量(性能性的開銷可能大到難以使用);

● 無線電廣播通道限製(限於在IEEEl 802.15.4中指定的通道)。

上述所列各項表明需要對許多項目進一步澄清，因此首先對標準化的較高層協議進行描述。與802.15.4相比，如圖4所示，ZigBee可向上實施至OSI無線應用網絡模型的傳輸層，甚至能夠達到部分會話層。

圖2：ZigBee的OSI網絡模型。

對802.15.4協議最突出的三項新特性是網狀網路由算法，一個性能強大的安全實施，以及應用級抽象以在目標市場範圍中達成設備與可互操作“應用配置文件”的強大關聯性。

ZigBee網絡的網狀網路由算法使其成為網絡上終端設備之間數據交付的極可靠方式。除了能夠在網絡中確保分組交付的可選端到端確認，ZigBee還定義了能夠圍繞故障節點進行通信的路由發現算法，這也稱為ZigBee的通信自愈能力。路由發現是一種可由任何路由器設備啟動並始終針對特定目的地執行的最短路徑算法。計算的原理是由於每個節點都一直保留着至所有相鄰設備的“鏈接成本”記錄，其中鏈接成本是測量所接收信號的信號強度。累加沿路由所有鏈接的鏈接成本就可得出“路由成本”，並可計算網絡中每個路由的路由成本。

節點可以通過向其相鄰設備廣播針對特定目的地的路由請求(RREQ)數據包來請求路由發現。每當某節點接收RREQ時，其就會向路由成本累加其鏈接成本，然後再相應廣播RREQ。這種情況將反復進行，直至所有RREQ均到達目的地設備。然後目的地設備將選擇路由成本最低的RREQ數據包，並廣播路由回復(Route Reply)。當RREP數據包返回至源地，所有中間節點將更新它們的路由表，指示通往目的地的路由。這樣，節點可丟失至下一跳的連接，並向網絡發送路由錯誤(RERR)數據包，以便在下一次有人試圖向其發送消息時，就會啟動新的路由發現。

ZigBee可實施廣泛的安全措施。ZigBee采用三種安全性密钥，即用於長期安全性的主密钥、加入網絡的網絡密钥，以及用於對等通信的加密密钥。采用AES-128位加密標準執行加密。在檢驗消息的完整性方面，ZigBee采用MIC-128，即消息完整性代碼。此外，通過使用協調器作為信任中心從單個節點管理所有安全性，網絡還能夠定期選擇對對稱加密密钥進行更新，從而達成安全通信的無限管理。

不過，應用級抽象可能是ZigBee最具有競爭力的特性。可以對每個節點進行匯編以容納多達270個“端點”或者應用。舉例來說，每個端點都可以代表一個電燈開關或者一個燈泡(燈泡01、燈泡02等)。每個端點可以接受任意類型的數據，也可以發送任意類型的數據。從某端點輸出到另一端點的輸入數據有單個描述符，一般稱為群集(Cluster)。為繼續使用燈泡作為例子，假定被命名為“light_status_on_off”的燈泡開關狀態是這些稱為群集的數據描述符之一。然後，每個端點就可以根據端點ID(1-270)及其群集列表(接收或者傳輸的數據類型)進行描述。在群集匹配的情況下，就可以進行一對一或者一對多端點的邏輯綁定。在該例中，某一燈泡開關可以與任一或者所有被描述為幫助“light_status_on_off”群集的燈泡邏輯綁定。這種應用級的一對一或者一對多綁定是ZigBee協議性能強大的特性。

圖3：ZigBee的綁定表可用於即時控製更改。

如果ZigBee Alliance當時定義了群集列表和解釋端點間群集流的方法，就可以為特定應用(如電燈開關/電燈泡等)指定標準，且無需擔心用於實施應用的詳細硬件。ZigBee Alliance正好已經完成了這項任務，將這些標準稱為應用配置文件，從而不僅使來自不同廠商的應用能夠完全達成互操作性，而且還加強了ZigBee低功耗無線網絡目標市場範圍的整體競爭性。

如果互操作性不是策劃人員的主要意圖，ZigBee Alliance還可以讓策劃人員定義不共享的産業專用型應用配置文件。為簡明扼要，我們就不對ZigBee實施的其他特性進行詳細討論了，這些特性包括群組尋址、頻率捷變、會話故障的自動重加入和協議嶄新版本ZigBee 2007(也稱為ZigBee PRO)供應的系列附加特性。ZigBee PRO基本上仍屬於ZigBee標準範疇，但在編輯時增加了用於優化幫助超大網絡集成的特性。

采用ZigBee協議進行产品策劃的劣勢包括與開發ZigBee产品相關的成本：按年支付給ZigBee Alliance的成員費用、認證产品是否符合ZigBee的費用以及協議本身的存儲器占用。ZigBee協議加載的特性很難在每項應用中都得到充分利用，從而在定製解決方案的情況下需要策劃額外的存儲器資源。在某些情況下，對存儲器與資源的要求甚至可以限製到最終應用級。因此，部分産業推出了具備集成MCU、預加載了ZigBee軟件協議栈的無線電廣播組件，其運行則由少量API對另一個以應用為中心的MCU的調用來控製。通過采用SPI通信來更新ZigBee芯片的配置，應用MCU可以免受協議對存儲器與資源要求的限製，可以有效地處理其他應用任務。

家庭安全網絡

第二與第三個例子將顯示出，如果要求略有變動就會導致選擇不同的協議。本系統是一個在已裝修好的家居環境中安裝的家庭安全網絡，因此重新布線會花銷太大。我們可選配安裝幾種不同的傳感器，如煙霧傳感器、玻璃破損傳感器、運動傳感器以及門禁控製感測(access control)等。每個傳感器都與基站通信，然後基站再與家庭安全監控公司通信。

 應用方面的考慮事項：

● 家庭安全網絡;

● 煙霧檢測、玻璃破損、運動檢測以及占用檢測等;

● 基站必須向家庭安全監控公司傳輸數據;

● 用戶界面必須直觀易懂;

● 需要遵循業界標準;

● 應能夠從不同廠商技藝之間的互操作性及其相關幫助方面受益***;

● 穩健性與可靠性;

● 關鍵的策劃標準;

● 系統必須具有高度的安全性，以防篡改、竊聽;

● 易用性;

● 需要標準化的實施方案達成可靠性與安全性***;

● 計劃在總體的家庭自動化網絡中集成家庭安全性應用;

● 願意花時間學習與充分利用更復雜的API;

● 硬件與RF方面的考慮事項;

● 大多數網絡設備都采用電池供電。