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ZigBee 控制家庭网络的标准 组网应用 [复制链接]

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。

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。

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