ZigBee 技術及其在樓宇自動化系統(tǒng)中

隨著計算機技術、控制技術和通信技術的發(fā)展，樓宇自動化工業(yè)在過去的十年中獲得了巨大的發(fā)展，遵循BACnet、LonTalk 和EIB（European
Installation Bus，歐洲設備安裝總線協(xié)議）這些標準化通信協(xié)議的樓控產(chǎn)品在行業(yè)中占據(jù)著主導地位。使用這些通信協(xié)議的樓宇自動化網(wǎng)絡所采用的通信傳輸介質（比如雙絞線、同軸電纜和光纜）通常都是有線的，無線通信技術有沒有可能在樓宇自動化領域占有一席之地并得到廣泛應用呢?
和采用有線網(wǎng)絡的通信技術的樓控產(chǎn)品相比較，無線解決方案最吸引人的地方是安裝布置的靈活性、低廉的安裝費用和對樓宇自動化系統(tǒng)進行重新布置時可移動性。盡管無線通信技術和有線相比較有明顯的優(yōu)勢，而且蜂窩無線移動通信技術、無線局域網(wǎng)技術和藍牙技術已經(jīng)在市場上獲得了巨大的成功，但無線通信技術在樓宇自動化領域應用相對還是很少。這主要是因為目前沒有一項無線通信技術適合在樓宇自動化領域進行廣泛的推廣，而且現(xiàn)有的一些針對樓控領域無線通信產(chǎn)品的價格偏高，導致無線通信技術在樓控領域的應用停滯不前。

隨著近年來人類在微電子機械系統(tǒng)（MEMS）、無線通信、數(shù)字電子方面取得的巨大成就，使得發(fā)展低成本、低功耗、小體積、短通信距離的多功能傳感器成為可能。近期所涌現(xiàn)出來的一項新的無線通信技術—— ZigBee 技術將改變這種狀況。ZigBee 技術產(chǎn)品以其低成本、低功耗、低傳輸速率、優(yōu)秀的組網(wǎng)能力，被廣泛認為將在未來的幾年中對樓宇自動化工業(yè)產(chǎn)生重大的影響。

1 無線通信技術在樓宇自動化系統(tǒng)應用的優(yōu)越性
無線通信技術是利用電磁波在空氣中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而無需線纜介質。在樓宇自動化系統(tǒng)中采用無線通信技術是對系統(tǒng)有線組網(wǎng)方式的一種補充、擴展甚至是替代。無線通信技術使得樓宇自動化設備具有可移動性，它能快速方便地解決使用有線方式所不易實現(xiàn)的網(wǎng)絡聯(lián)通問題。與有線傳輸方式相比較，在樓宇自動化系統(tǒng)中采用無線通信技術具有低廉的安裝費用、靈活性和可移動性等優(yōu)點，以下是對其的詳細闡述：
（1 ）通常在智能建筑的網(wǎng)絡建設中，施工周期最長、對周邊環(huán)境影響往往是綜合布線系統(tǒng)，采用無線通信技術最大的優(yōu)勢就是可以免去樓宇自動化系統(tǒng)中網(wǎng)絡布線的大部分工作量。
（2 ）在采用有線傳輸方式的樓宇自動化網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡設備的安放位置通常受網(wǎng)絡信息點位置的限制。但是一旦無線網(wǎng)絡建成后，在無線網(wǎng)的信號覆蓋區(qū)域內(nèi)任何一個位置都可以接入網(wǎng)絡。
（3 ）由于有線網(wǎng)絡缺少靈活性，這就要求樓宇自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡規(guī)劃者盡可能地考慮未來發(fā)展的需要，這往往需要預設大量利用率較低的信息點；而一旦網(wǎng)絡的發(fā)展超出了設計規(guī)劃，則需要對網(wǎng)絡的布局進行重新的考慮，而無線網(wǎng)絡可以避免或減少以上情況的發(fā)生。
（4 ）假如對樓宇自動化系統(tǒng)重新進行改造，對于有線網(wǎng)絡，消除原有的舊系統(tǒng)和對新系統(tǒng)進行新的布置將帶來龐大的工程費用，而無線網(wǎng)絡則相反將會帶來巨大收益。

2 無線通信技術目前在樓宇自動化系統(tǒng)應用所面臨的問題
盡管在樓宇自動化系統(tǒng)中采用無線通信技術具有有線無可比擬的優(yōu)勢，但目前采用有線傳輸介質的樓控產(chǎn)品仍然占據(jù)著絕對的主導地位，人們在進行樓宇自動化系統(tǒng)設計時，很少會考慮到采用無線通信技術。這主要是因為目前針對樓宇自動化系統(tǒng)的無線產(chǎn)品尚面臨著成本、可靠性、適用性和協(xié)議的標準化等一系列問題。

另外樓宇自動化系統(tǒng)屬于控制網(wǎng)絡的一種，控制網(wǎng)絡肩負的特殊任務和工作環(huán)境，使它具有許多不同于普通計算機網(wǎng)絡的特點?？刂凭W(wǎng)絡以具有通信能力的傳感器、執(zhí)行器、控制器作為網(wǎng)絡節(jié)點，并將其連接成開放式、數(shù)字化、實現(xiàn)多節(jié)點通信，完成監(jiān)測控制任務的網(wǎng)絡系統(tǒng)。以下是控制網(wǎng)絡所需要具備的主要特點：
◆ 數(shù)據(jù)傳輸量相對較小；
◆ 傳輸數(shù)率相對較低，多為短幀傳送；
◆ 通信傳輸?shù)膶崟r性強；
◆ 抗干擾能力強，可靠性高。

在選擇合適的應用于樓宇自動化系統(tǒng)的無線通信技術時，必須對以上的內(nèi)容進行綜合考慮。目前無線通信技術在樓宇自動化領域的應用探討比較多的主要有無線局域網(wǎng)技術、藍牙技術和ZigBee技術。無線局域網(wǎng)技術（WLAN－WirelessLocal area network）是一種借助無線通信技術取代以往有線布線方式構成局域網(wǎng)的新手段，可提供傳統(tǒng)有線局域網(wǎng)的所有功能，它是計算機網(wǎng)絡與無線通信技術相結合的產(chǎn)物。藍牙技術是一種短距離無線連接的無線技術，目的是取代現(xiàn)有的PC、打印機、傳真機和移動電話等設備上的有線接口。無線局域網(wǎng)技術和藍牙技術都不能夠完全具備適合在樓宇自動化系統(tǒng)應用的特點。

ZigBee技術是建立在IEEE（Institute of Electricaland Electronics Engineers，美國電氣電子工程師學會）802.15.4 基礎上的無線通信協(xié)議，它是一個短距離、低功耗協(xié)議，特別適合設計應用在小型的建筑物自動化設備中，比如溫度自動調(diào)節(jié)裝置、燈光控制設備、環(huán)境傳感器等。ZigBee
技術能夠在低功耗下提供短距離、低速的數(shù)據(jù)傳輸，使用普通干電池的ZigBee 無線傳感器能夠持續(xù)運行2～3 年的時間。另外ZigBee 技術優(yōu)秀的組網(wǎng)能力使得它和其他無線通信技術在樓宇自動化系統(tǒng)中的應用相比尤其具有無可比擬的優(yōu)勢。

3 ZigBee 技術分析
ZigBee 技術是由一個企業(yè)之間的團體——ZigBee聯(lián)盟（ZigBee Alliance）負責制定和推廣。ZigBee 聯(lián)盟由霍尼韋爾（Honeywell）、英維思
（Invensys）、三菱電氣（Mitsubishi Electric）、三星（Samsung）、摩托羅拉、飛利浦（Philips）和Ember七家國際著名公司作為發(fā)起方，截至到2004 年11月該聯(lián)盟所參加的企業(yè)成員已經(jīng)超過100 家，均為在行業(yè)中有重大影響的企業(yè)。

ZigBee 技術建立在IEEE802.15.4 標準技術之上，IEEE802.15.4 是一個支持低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率的無線網(wǎng)絡標準，主要是設計用來進行遠程
監(jiān)測與控制的應用。在2003 年的5 月，IEEE802.15.4 標準得到了正式批準。IEEE802.15.4 是一個簡單的但功能卻十分強大的數(shù)據(jù)包協(xié)議，它通過
確認、錯誤檢測、區(qū)分優(yōu)先次序的通信、D S S S（Direct Sequence Spread Spectrum－直接序列擴頻技術，它具有改變頻率消除干擾的能力）和用
戶選擇安全等級等技術來提供無線通信的高可靠性。IEEE802.15.4 標準同樣只規(guī)定了開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型中的物理層和介質訪問子層，其中物理層定義了三個許可的頻率波段，它們分別是2.4GHz（最高傳輸速率250kbps）、915MHz（最高傳輸速率40kbps）和868MHz（最高傳輸速率20kbps）。
ZigBee 技術在IEEE802.15.4 所定義的基礎上又增加了網(wǎng)絡層、安全層和應用輪廓層（Application Profiles）。ZigBee支持星型、網(wǎng)狀和樹簇狀的網(wǎng)絡拓撲結構。在每一個ZigBee 網(wǎng)絡中最多可以擁有65535 個節(jié)點，每個節(jié)點的地址由ZigBee的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)節(jié)點（Network Coordinator）負
責分配。另外每個節(jié)點的傳輸范圍在30～100m 之間，而且傳輸?shù)木嚯x還可以通過使用功率放大器和多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構得到延伸。

ZigBee 技術在樓宇自動化領域有廣闊的發(fā)展和應用前景，首先ZigBee 技術是一項低成本、低功耗的無線解決方案，采用ZigBee 技術的無線傳感器使用普通的干電池即可工作2 ～3 年的時間，而ZigBee 芯片的價格將在1～2 年時間內(nèi)降低到2美元左右；其次ZigBee技術支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，這使得ZigBee 網(wǎng)絡具有自組織、自修復的能力，提高了網(wǎng)絡的可靠性；第三，ZigBee 網(wǎng)絡支持數(shù)量眾多的節(jié)點，這點對于大型的樓宇自動化系統(tǒng)中需要大量的傳感器和控制器的場合是非常重要的。

4 ZigBee 技術在樓宇自動化領域的應用前景
根據(jù)美國著名的市場研究機構ABI Research[1]預測：內(nèi)建ZigBee 無線裝置的產(chǎn)品將從2005 年的100 萬臺發(fā)展到2006 年的8000 萬臺ZigBee 巨大的發(fā)展空間在于其技術上明顯的優(yōu)勢以及市場定位的明確。目前國際上樓宇自控方面專家基本上形成了共識，無線通信技術在樓宇自動化的應用將不可阻擋[ 2 ]。無線網(wǎng)絡將不僅僅是對有線網(wǎng)絡有益的補充、擴充，而可能是替代作用。

在使用ZigBee 技術的樓宇自動化系統(tǒng)中，無線網(wǎng)絡的框架是網(wǎng)狀結構， 使用一定數(shù)量的ZigBee路由器節(jié)點即可覆蓋整個的建筑內(nèi)部區(qū)域，而且節(jié)點數(shù)越多，系統(tǒng)將越可靠。另外由于網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構具有自配置的功能，增加新的節(jié)點時或重新對節(jié)點進行布置時將十分方便。而無線網(wǎng)絡的邊緣是星型結構，大量內(nèi)建ZigBee 無線裝置的傳感器或者執(zhí)行器被接入網(wǎng)絡，這些傳感器使用普通的干電池就可以工作2 ～3 年時間。盡管ZigBee技術有無可比擬的優(yōu)勢，但其在樓宇自動化的應用還面臨著和BACnet、LonTalk 以及EIB 這些主要采用有線網(wǎng)絡的國際化標準化通信協(xié)議相融合的問題，目前采用這些通信協(xié)議的樓控產(chǎn)品已經(jīng)十分成熟，而且在樓控領域占據(jù)著主導地位。ZigBee 技術的融入比較簡單的做法是在ZigBee網(wǎng)絡和這些異種網(wǎng)絡之間建立相關網(wǎng)關作為它們之間的橋梁，那么ZigBee 將是這些有線網(wǎng)絡的有益補充，屆時整個樓宇自動化系統(tǒng)將出現(xiàn)無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡共存的局面，從而獲得較高的經(jīng)濟效益。更為完善的做法是在ZigBee 技術的基礎上建立與BACnet、LonTalk通信協(xié)議相類似的適用于樓宇自動化領域的整套無線通信協(xié)議，這種情況下ZigBee 將能夠和這些通信協(xié)議相并駕齊驅，并有可能最終替代這些主要采用有線網(wǎng)絡的通信協(xié)議。

5 結論
隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，智能建筑的數(shù)量將會越來越多，選擇適合中國國情的樓宇自動化技術及產(chǎn)品是人們迫切需要關注的一個問題，但目前我國智能建筑中所使用的樓控系統(tǒng)及產(chǎn)品大多被國外的大公司所壟斷，ZigBee 技術的出現(xiàn)將給我國開發(fā)自主的具有世界先進水平的樓宇自動化系統(tǒng)及產(chǎn)品提供一個嶄新的契機。