家庭无线控制系统中ZigBee技术的应用研究1引言人们生活水平的提高和经济社会的发展，使的如何提高人们的生活质量，让人们的生活更加便捷、高效、安全、舒适成为了各个学科领域的研究热点。无线通信技术和计算机科学技术的飞速发展使本来处于科技尖端的各种技术逐渐走入了人们的生活，逐渐成为人们生活的一部分，为人们带来更加人性化的家居生活体验。随着各种无线解决方案的提出，各种无线集成芯片和模块价格的不断下降，无线网络成为家庭智能控制系统的首选，这不仅是因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去花在综合布线上的费用和精力，而且更因为它符合家庭网络的通讯特点[1]——近距离、低速、实时。ZigBee从成立之初就致力于低功耗、低速率、高效率的短距离通信，其最初的应用领域就是面向家庭自动化，曾一度被称为“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”，随着ZigBee技术的不断改进、成熟，更显现出在家庭智能控制领域的强大优势。本文将介绍ZigBee的特点及其优势，分析ZigBee协议栈，并指出将ZigBee应用于家庭控制领域的几点关键。2ZigBee技术ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术，它主要工作在无须注册的ISM频段，典型传输范围在10～75m。ZigBee主要通过降低收发信机的忙闲以及数据传输的频率，降低帧开销，并且实行严格的功率管理机制,例如关机及睡眠模式等方式来降低设备的综合功耗。ZigBee基于IEEE802.15.4无线标准研制，它在IEEE802.15.4规范的基础上定义了高层规范，达到了产品的互操作和兼容性。ZigBee协议栈由高层应用规范、应用支持子层、网络层、媒体访问控制层和物理层组成，网络层及其以上的协议由ZigBee联盟负责制定，IEEE则制定物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)标准[2]。2004年ZigBeeAlliance发布了第一个规范ZigBeeV1.0，但由于推出比较仓促，并不实用。随后几年中ZigBeeAlliance不断壮大，分别于2006年和2007年发布了ZigBeeSpecial2006和ZigBeeSpecial2007，在ZigBeeSpecial2007中对组网方式，功耗管理及互操作性等方面进行了进一步的扩充和管理[3]，ZigBee技术逐渐完善。2009年ZigBeeAlliance发布了最新的RF4CE规范[3]，进一步完善了ZigBee在无线传感控制领域的应用。ZigBee致力于低速率、高效率，相对于目前存在的其他无线网络技术具有以下优势：功耗低：工作模式情况下，ZigBee技术传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发时间很短，在非工作模式时，ZigBee节点处于休眠模式。且通信时延和从休眠状态激活的时延都很短，设备搜索时延一般为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。同时，ZigBee技术在协议上对电池使用也作了优化。ZigBee节点的电池工作时间可长达数年。数据传输可靠：2.4GHz频段的ZigBee采用O-QPSK调制和直接序列扩频（DSSS）通信，为低信噪比环境的应用提供了额外的性能[4]。媒体接入控制层（MAC层）采用talk-when-ready的碰撞避免机制。在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认信息回复，若没有得到确认信息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，采用这种方法大幅提高了系统信息传输可靠性。ZigBee网络具有自组织及自愈功能：网络节点能自动感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；增加、删除或移动节点，节点发生故障等等，网络都能够自我修复。这点很适合家庭中随时增加或移除家电的情况。网络容量大：一个ZigBee网络可容纳一个主（Master）设备和254个从（Slave）设备。若是通过网络协调器（NetworkCoordinator），整个网络最多可支持超过64000个节点，而且各NetworkCoordinator可互相连接。安全性高：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全性。第一级为无安全方式。对于第二级安全级别，器件可以使用接入控制清单（ACL）来防止非法器件获取数据。第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加密标准（AES）的对称密码。AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件。实现成本低：由于其协议免专利费用，使用频段免执照...
