ZigBee 控制家庭网络

电灯开关的启发

有人要求发明者发明下一项重大技术，但我们实际上需要的是更好的电灯开关。想想普通的电灯开关是如何工作的: 电灯本身可能装在天花板中央，但如果用户想站在门口就能开灯，还得把线拉到门口。

这都是上个世纪的事！如今，有了无线技术，用户就可以使用用双面胶就能贴在墙上的开关。这样一来，如果用户想把开关位置放低，以便坐在轮椅上的客人能够得着，那么只要把它撕下来，往下移，再贴回到墙上即可。

几十年来，建筑物就有了有线控制网络; 自马可尼时代以来，电气工程师们就一直试图把有线网络变成无线网络。不过，直到1998年，现已解散的行业组织HomeRF工作组才开始设计可以使用可粘贴电灯开关这些装置的一种系统。五六种现有的无线标准由于诸多原因并不胜任这项工作，于是研究人员开始设计新的标准。

2000年，IEEE针对无线个人区域网（WPAN）启动了自己的项目: IEEE 802.15.4。随之获得的标准就是ZigBee 1.0，它于2003年发布，今年初得到了更新。这个名字通常会让人想到蜜蜂引导同伴飞向鲜花的之字形舞——这形象地描述了网络上的设备寻找及联系对方的方式。符合标准的产品预计会在一年内进入商店。

与IEEE 802.11知名度更高的Wi-Fi标准一样，ZigBee也是一项局域网技术，它可以为家庭提供无线网络服务。不过在其他方面，两项标准各不相同。Wi-Fi耗用大量功率来提供大量的高速数据流，而ZigBee几乎不耗用什么功率; Wi-Fi使用一个中央路由器来提供覆盖服务，而ZigBee利用一起加入网络的诸多小节点共同提供覆盖服务。

这完全与两者预期的应用不同有关。ZigBee用来连接的是电灯开关，不是多媒体娱乐中心，所以虽然数据速率只有Wi-Fi的五分之一，照样应付得过去。而且在ZigBee中，一些节点会放在地板下方及其他难以触及的地方，所以即使它们耗用的功率极小，也需要配备电池。一个ZigBee控制点使用两节AA碱电池就可以用上好几年。

应用的拓展

ZigBee的发展前景绝不仅仅局限于电灯开关。能够改造家居的传感器技术问世已有数年。直到现在，业界缺少的只是一种可以使用这些技术经济可行的方式。

譬如说，用户家窗户和门上安置的传感器能够以无线方式每分钟向中央安全控制器报告几次“一切正常”的情况——直到几年前，只有像博物馆这些地方才可能享有这种安全级别。每间房子里的传感器能够监控有没有人、温度、湿度和光线亮度，然后把数据发送到暖通空调控制器。控制器先查明某个房间里面有没有人; 只有查明有人后，才决定拉上还是放下遮光窗帘、打开还是关上调节气门，或者全速还是减速启动暖通空调系统。可以把里面有人的房间维持在稳定的舒适区。

与此同时，家里的猫门会检查你家宠物身上的射频识别（RFID）标记，让小猫回到家里，而把小区的其他小动物拒之门外。菜园里面的传感器会不断检查土壤的湿度和湿度、光照强度以及空气温度，需要时就打开喷洒装置。

完成部分这些任务的控制系统在办公大楼和工厂已存在了数年。大楼内到处是线缆，把成本高昂的传感器和中央服务器连接起来。不过，重新为家居布线以实现这些功能是荒谬的想法——施工人员得钻孔、爬上阁楼或者在爬行空隙里钻行。还往往要凿开墙壁。布线工作完成后，还要开始大规模的表面修补工作。

虽然线缆本身每米的成本只有0.33美元，但为控制网络布线的工作量往往每平方米楼面面积就需要22美元。虽然为新房子构建这种系统的成本只有旧房翻新的一半，但还是不便宜。一般的新房子需要大约300个传感器节点; 光结构性布线每个房间就需要350美元左右。

用户可以使用房子现有的交流电线缆，从而设法避免安装成本。有些系统就具有这种功能。不过，用户只能够得着连接有电气系统的那些地方; 只有这些地方离控制装置非常近、防止电源线上的噪声淹没信号，才可以使用它们。在ZigBee网络中，信号可以可靠地收到，不会受到难以预测的射频传播和吸收等变数的影响; 甚至可以收到来自车库窗户和院子里的土壤传感器等边远位置的信号。

ZigBee的优点

ZigBee节点是一种简单的东西。其核心是多信道无线电装置和微控制器，它们都在一块硅片上，装在如同小指指甲大小的塑料封装体里面。成品里面当然不止ZigBee芯片。电灯开关等一些装置只有触发器和面板，而另一些装置如恒温器会有另外的继电器、液晶显示屏及其他元件。

ZigBee网络以自主方式组建而成，所以房主安装了第二个设备后，它会寻找第一个设备，第一个设备可能是网络的初始控制开关。第三个设备安装后，它会寻找头两个节点中离自己比较近的那一个。默认情况下，第一个设备之后的所有设备必须通过验证，才被允许使用现有设备作为通信“骨干”来回转发信号。



图1 与硬币大小相仿的ZigBee模块

验证过程可能只需要摁一下按钮这么简单; 但如果设备配有荧屏和键盘，可能比较复杂。实际上，网络通常被配置成要求在添加设备之前获得房主的许可; 就是为了防止邻居的电灯无意中加入网络。设备添加完毕，网络就可以独立询问这是什么设备、它能提供什么服务。

构建自己的ZigBee网络

可以自行构建ZigBee网络吗？这取决于你的动手能力有多强。要添加即撕即贴的电灯开关，只要用具有ZigBee功能的开关换下原来墙上的开关，然后往墙上贴一个即撕即贴的开关控制器。只要使用一把螺丝刀，就很容易把原来墙上的有线开关升级成ZigBee开关（记住首先切掉电源）。

接下来，你让两者“相互认识”: 摁一下一个开关上的按钮，然后迅速摁一下另一个开关上的相应按钮。从这一刻起，两个开关就可以协同工作了（最后会有本身使用ZigBee的照明装置，但最初通过替换方式来实现。）不过，如果你想安装在家里的窗户和户外门上安装具有ZigBee功能的新锁闩，恐怕需要请来锁匠。

ZigBee本来就是用来在大部分时间处于睡眠状态的设备之间不太频繁地传送简短信号。理论上的最大数据速率只有每秒250千比特，不过仍非常快，足以尽量缩短传送器或者接收器的“工作”时间; 两个设备之间的典型通话一般只用几毫秒，这样传送器可以迅速回到睡眠状态。

ZigBee使用的频段与Wi-Fi一样，开发者当中有许多是曾开发其他标准（譬如针对Wi-Fi的802.11和针对WiMax的802.12）的同一批人。有许多免执照的频谱可以使用，诸多802标准利用了大部分这些频谱，其他许多技术也一样。虽然成本效益是ZigBee的设计师考虑的重要因素，但稳健性、可靠性及在嘈杂的射频环境中具有抗干扰性同样很重要。



图2 ZigBee热点模块
为这项标准设计无线电部分的人员当初寻求最稳健的调制方法，最后选择了正交相移键控（Quadrature PSK）方法: 在过去的二十年，美国宇航局就使用同样这项技术，与“航海者号”和“伽利略号”太空飞船及火星探测车进行联系。这项技术基于相移键控（PSK）调制方法: 无线电波正常振荡的波峰和波谷突然跳过了半个周期，因而会在预计出现波谷的时候出现波峰。“不连续的相位跳跃”的方向表明了收到1或者0，这一不连续性极其明显，在不适宜居住的环境也能检测到。

正交相移键控则更进一步。它可以传送两个比特的信息: 00、01、10或者11，从而可以在同一时间内收到多一倍的信息，而不是每次相位转变传送一个1或者一个0。正交相移键控法具有极强的适应性，不过作为一种调制方法，它很少应用于成本低廉的系统，原因是它非常复杂，而且成本很高。的确，正因为射频硅技术在过去十年取得了进步，才让它得以适用于消费者系统。

ZigBee协议对网络上设备进行命名采用了64位方法——这完全足够为加州海滩上的每粒沙子赋予一个惟一的地址。一旦设备安装完毕，地址就被映射成本地16位网络地址，那样ZigBee网络拥有的活动设备可以超过64000个。

即使在有上千个设备的网络中，它们都同时连接到网络上，大多数设备上的传感器也会在大部分时候处于睡眠状态，只是在报告或者表明事件时才醒来。底层的分组无线技术确保了等待传送的信号被成功接收，不管信道有多忙碌。因为ZigBee无线电装置检查信道每秒可超过一千次，所以它能够避开Wi-Fi、无绳电话和微波炉引起的带宽拥塞。一旦它发送了数据包，就会回到睡眠状态。

与有线和无线网络中的许多现有系统不同，ZigBee一开始就旨在能够防御黑客及其他威胁——无论来自邻居家好奇的少年，还是在街上开着车、瞅准未加保护的房子试图撬开电子锁的小偷。这项IEEE标准使用了高级加密标准，这是一种久经考验的公钥加密方法。这种方法利用了商业厂商提供的成熟的安全密钥分发和管理解决方案，这些厂商会添加一整套安全功能。这项技术不仅仅通过网络安全传送密钥，还可以让房主或者可信的厂商登录到网络上、添加新的传感器，以及更新网络的软件。

ZigBee无线电装置和处理器要取得成功，必须尺寸小、功耗低，但单单做到这点还不够。与其他网络标准一样，它们必须与符合这项标准的其他设备兼容。不然，ZigBee永远得不到广泛使用，那样制造厂商也就无法获得规模经济。所以，行业组织 ZigBee联盟希望提出标准遵从方面的要求及射频兼容性方面的标准测试方法——就像IEEE 802.11有Wi-Fi联盟、802.16有WiMax论坛那样。

广阔的应用前景

非营利组织ZigBee联盟由当初开发基本IEEE标准的同一批人在2002年组建而成，现在它有大约200家成员公司，其中包括传统的控制系统生产商（如霍尼韦尔、约翰逊控制公司和西门子）、新的控制系统公司（盐湖城的Control4 Corp.）、针对特定行业的公司（丹麦的暖通空调制造商Danfoss Group Global和瑞典的锁具生产商亚萨合莱）、专门从事ZigBee的新兴公司（澳大利亚的Daintree Networks、韩国的Orange Logic和西雅图附近的San Juan Software）以及半导体公司（飞思卡尔半导体、意法半导体和德州仪器）。
符合标准的无线电发送器的零售价在迅速接近1美元，而无线电装置/应用处理器/内存在同一个封装体里面的产品目前约为3美元。随着产量增加，这一价格会不断下滑。

ZigBee并不是家庭控制网络的惟一选择，但诸多替代方案在某个方面远不如它。X10也许是最常使用的替代方案，但它主要作为基于有线的一项技术，无线功能有限，用于识别每个对象的可分配的地址数量也很少——这一缺点通常把X10网络的规模限制在16个设备。

还有蓝牙，这项越来越流行的短距离无线网络技术经改造后可以在典型的居民环境支持上百个设备，至少从理论上来说是这样。遗憾的是，它根本无法支持由电池供电的小设备长年使用，所以使用蓝牙用于家庭控制所需的改动其实相当于设计一项全新的无线电技术。

蓝牙还存在与X10同样的缺点: 地址空间有限——实际上，可用于家庭控制的各种现有无线技术都有这个局限性。所以在蓝牙家庭网络上，设备只好不断地退出网络、重新加入，从而导致打开电灯开关与电灯发亮之间有几秒钟延迟。

第一批ZigBee产品预计会在明年出现在电子产品商店和家居装修中心。据估计，即撕即贴的电灯开关用于控制开关装置的售价大约20美元，用于可粘贴控制开关装置的售价大约15美元。眼下，这比基于X10技术的同类装置要便宜5美元左右——便宜了不少，但相差幅度还不是很大。

不过，由于规模经济及诸多厂商之间的竞争，这些价格会很快降下来。而ZigBee装置的功能会比替代装置多得多。譬如说，能注意到有人走进房间的运动传感器可以启动空调，打开电灯，不管这两个设备是由哪两家厂商生产的。同样，烟雾探测器能够打开电灯，关闭空气处理机组，从而增加从着火大楼逃生的机率。直到现在，这类集成的家庭控制系统不是很难实现，就是成本高昂，要么就是兼而有之。

ZigBee技术会改变像家庭安全市场这些市场吗？直到现在，家庭安全市场还是依靠专有、独立的系统。专业安全人士很快就能够选择亚萨合莱的锁闩、西门子的报警器或者霍尼韦尔的控制器吗？这很难说，但ZigBee至少让这完全成为可能。

虽然我们主要讨论了ZigBee在家庭的应用，但这项技术设计具备商业和行业用户同样所需的稳健性。这类用户可能会发现，只要通过更准确地控制暖通空调系统来降低能源成本，ZigBee可以收到明显的投资回报，这比安装新的有线网络的成本低得多。



图3 通过ZigBee控制玩具汽车

不过，商业和行业客户需要一段时间才会采用ZigBee系统。因为企业网络会有成千上万个节点，它们的系统将由专业人员来规划、安装及维护，就像计算机网络由专业的信息技术人员来安装及运行。所以，ZigBee可能会先进入家庭，普通的房主、锁匠或者管道工都能安装其产品。

最终，你在外出时，家里的ZigBee网络能与你通话: 通过连接到你家的互联网线路，或者通过向你的手机发送短消息。如果你在外出时冷空气袭来，爬行空隙里面具有ZigBee功能的水管传感器可以把情况告诉你; 你有可能把钥匙留给了隔壁邻居，到时就可以打电话过去，让邻居把你家的温度调高一档，免得家里的管道冻坏。手机本身也将内置有ZigBee技术，这样你人在家里时或者走到外面院子时，可以直接与你家联系，使用手机作为灵活、功能强大的遥控器。

具有ZigBee功能的家庭将减少取暖和空调费用，同时会变得更安全、更舒适，而这绝非小事。