ZigBee在樓宇自控系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　ZigBee作為一個開放的國際標(biāo)準(zhǔn)，為滿足低成本低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的獨特需求而開發(fā)的一種無線通信技術(shù)。這個標(biāo)準(zhǔn)吸取了IEEE 802.15.4無線電規(guī)范的全部優(yōu)點并可以工作在世界各地?zé)o牌照的不同頻率范圍。ZigBee無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(ZigBee-WMNs)被公認(rèn)為是樓宇自動化和控制系統(tǒng)既經(jīng)濟又靈活的解決方案。他們有可能統(tǒng)一傳感器，執(zhí)行器，家用電器，以及資產(chǎn)跟蹤設(shè)備的數(shù)據(jù)通信方法。他們提供了一套方案來建立一個可靠，價格合理，可以支持低數(shù)據(jù)率和低占空比的電池供電設(shè)備的骨干網(wǎng)絡(luò)，以方便樓宇自動化和控制系統(tǒng)(BACs)。

　　1.無線網(wǎng)絡(luò)在樓宇自動化中的應(yīng)用情況

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以被定義為一種傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)，它涵蓋范圍甚廣，并提供通過無線通信協(xié)議監(jiān)測的地區(qū)環(huán)境信息。它可應(yīng)用在很多領(lǐng)域，包括醫(yī)療保健、環(huán)境監(jiān)測、家庭自動化和軍工等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其安裝簡易性和成本低而具有更大的市場潛力。樓宇自動化和控制系統(tǒng)(BACs)的特點是存在大量的分布于建筑體內(nèi)的傳感器和被控對象。圖1顯示了部分包含于BACs的子系統(tǒng)，如采暖通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)(HVAC)、照明、電力、熱水、消防，門禁、閉路監(jiān)控和公共廣播系統(tǒng)等。

　　無線傳感器的連接取消了硬接線的相關(guān)費用。它的一個額外的好處是在改造項目中減少了來自住戶和設(shè)施的阻礙。相比傳感器安裝在易于連線的位置，無線傳感器可以安裝在確實需要的位置，以優(yōu)化性能，并保持同平面圖的匹配。大量文獻(xiàn)都記錄了無線技術(shù)在樓宇的使用[3-8]。早期的研究中[10]概述了將無線網(wǎng)絡(luò)是如何支持現(xiàn)場設(shè)備的無線通訊，如房間或區(qū)域控制器及相關(guān)的溫度傳感器在不同場所的使用，如學(xué)校，醫(yī)院和大學(xué)等

圖1 樓宇自動化和控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開創(chuàng)了其在BACs中應(yīng)用的新篇章。相對于有線網(wǎng)絡(luò)，在BACs中的無線傳感系統(tǒng)將更加方便快捷，更低的危險和費用。它可以集成照明，空調(diào)，保安，安防系統(tǒng)和其他監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)成一個單一平臺，通過優(yōu)化管理降低空調(diào)的能源消耗，根據(jù)實際消費量公平分配公用事業(yè)費用，以最小的努力重新配置照明系統(tǒng)，建立自適應(yīng)工作區(qū)和可擴展和升級的建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施。通過安裝在大范圍的無線控制網(wǎng)絡(luò)，許多組織可以將浪費的照明和取暖開支降低50%。

　　2.Zigbee的應(yīng)用優(yōu)勢

　　ZigBee無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(ZigBee-WMNs)是自我組織，自我修復(fù)和易于維護的網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)中的每個設(shè)備都包含一個微控制器的路由器，允許網(wǎng)絡(luò)重新配置或擴展。如果設(shè)備丟失與相鄰節(jié)點的聯(lián)系，網(wǎng)絡(luò)的自愈性能允許該節(jié)點尋找其他可以建立通信的節(jié)點通路。這一特點有助于提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

　　ZigBee技術(shù)是建立在IEEE(Institute of Electricaland Electronics Engineers，美國電氣電子工程師學(xué)會)802.15.4 基礎(chǔ)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(shè)計應(yīng)用在小型的建筑物自動化設(shè)備中，比如溫度自動調(diào)節(jié)裝置、燈光控制設(shè)備、環(huán)境傳感器等。ZigBee技術(shù)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(shù)優(yōu)秀的組網(wǎng)能力使得它和其他無線通信技術(shù)在樓宇自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用相比尤其具有無可比擬的優(yōu)勢。

　　3 ZigBee 技術(shù)分析

　　ZigBee 技術(shù)是由一個企業(yè)之間的團體——ZigBee聯(lián)盟(ZigBee Alliance)負(fù)責(zé)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(shù)建立在IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)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(luò)標(biāo)準(zhǔn)，主要是設(shè)計用來進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制的應(yīng)用。在2003 年的5 月，IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)得到了正式批準(zhǔn)。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(rèn)、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(shù)，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(shù)來提供無線通信的高可靠性。IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)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(shù)在IEEE802.15.4 所定義的基礎(chǔ)上又增加了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用輪廓層(Application Profiles)。ZigBee支持星型、網(wǎng)狀和樹簇狀的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在每一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)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(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點(Network Coordinator)負(fù)責(zé)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(luò)結(jié)構(gòu)得到延伸。

　　ZigBee 技術(shù)在樓宇自動化領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，首先ZigBee 技術(shù)是一項低成本、低功耗的無線解決方案，采用ZigBee 技術(shù)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(shù)支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這使得ZigBee 網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自修復(fù)的能力，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性;第三，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)支持?jǐn)?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(shù)在樓宇自動化領(lǐng)域的應(yīng)用前景

　　根據(jù)美國著名的市場研究機構(gòu)ABI Research[1]預(yù)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(shù)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(shù)在樓宇自動化的應(yīng)用將不可阻擋。無線網(wǎng)絡(luò)將不僅僅是對有線網(wǎng)絡(luò)有益的補充、擴充，而可能是替代作用。

　　在使用ZigBee 技術(shù)的樓宇自動化系統(tǒng)中，無線網(wǎng)絡(luò)的框架是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)， 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(luò)結(jié)構(gòu)具有自配置的功能，增加新的節(jié)點時或重新對節(jié)點進(jìn)行布置時將十分方便。而無線網(wǎng)絡(luò)的邊緣是星型結(jié)構(gòu)，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(luò)，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(shù)有無可比擬的優(yōu)勢，但其在樓宇自動化的應(yīng)用還面臨著和BACnet、LonTalk 以及EIB 這些主要采用有線網(wǎng)絡(luò)的國際化標(biāo)準(zhǔn)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(lǐng)域占據(jù)著主導(dǎo)地位。ZigBee 技術(shù)的融入比較簡單的做法是在ZigBee網(wǎng)絡(luò)和這些異種網(wǎng)絡(luò)之間建立相關(guān)網(wǎng)關(guān)作為它們之間的橋梁，那么ZigBee 將是這些有線網(wǎng)絡(luò)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(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)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(shù)的基礎(chǔ)上建立與BACnet、LonTalk通信協(xié)議相類似的適用于樓宇自動化領(lǐng)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(qū)，并有可能最終替代這些主要采用有線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議。