ZigBee(R)技术

黎辉

TCL-罗格朗国际电工(惠州)有限公司

智能家居产品经理、高级工程师

前言随着网络技术的无线化和家居生活的高品位、时尚化的发展,新技术在家居中的应用将明显体现出其不可抗拒的发展趋势。ZigBee的超低功耗无线短距控制网络技术在家居智能控制的应用将形成新的消费需求,它能简单到只要更换开关就可以完成安装,不需要消费者成为专家就可以轻松享用,它不但能控制灯光、窗帘和家电,它还能为您节约能源、保障安全,成为您最贴心、最放心的家人。

Zigbee技术与中国智能家居的应用堪称为“天作之合”,为什么这样说呢?我们完全可以从两者毫不相关的发展历程和各自的特点上找到这个不谋而合之处。

智能家居在中国的发展状况

自九十年代初结构化布线和楼宇自控的技术开始进入中国市场至今已经十多年过去了,在这期间智能建筑概念对中国的房地产市场的发展(包括楼宇、小区等)或多或少起到了一定推波助澜的作用,而智能家居则起步和发展相对较慢。

因为,智能家居的最终消费对象是个人,即便是发展商预先配置好了,最后是否认可还是消费者说了算。因此,个人的消费观念、文化水平、经济能力和从众心态就成为了决定市场的关键因素,而这些因素比起开发商的炒作要理性得很多,不是靠几次炒作就能快速启动的。就算消费者买了具有所谓智能家居功能的房子,如果没有真正满足的实际使用需求,或技术服务没有跟上,迟早是变成一堆废物。 经过长期而深入的分析,我认为智能家居之所以发展较慢的最大障碍主要有五个方面:产品价格、技术标准、安装方式、使用难度和品牌信任度。

产品价格

无论是国外的还是国内的产品,由于其采用的技术都离不开各种网络、控制和软件技术,因此,比起传统产品(如开关、窗帘等)来说要贵的多。一个控制器的价格起码要比普通的开关贵十倍以上。因此,如果没有真正的需求,一般是不会考虑的。

技术标准

这是困扰行业的一大难题,至今为止除了2005年信息产业部认可的“E家佳”和“闪联”两个智能家居推荐标准外(普及尚待时日),国外和国内各厂商自主使用的各种标准在中国市场上是五花八门,实际上是没有形成最主流和真正适合家居的标准。由于技术标准的不统一,消费者处于非常茫然的状态,那只好继续观望了。

安装方式

这个问题几乎成了产品研发和推广的致命难关。采用传统且成熟的总线技术产品,难以让多数消费者接受。因为,这必须要在装修前预埋管线,工程难度大、技术要求高,并且一旦装修完毕,就很难再做修改,这对于还在不断学习和尝试感受新事物过程中的消费者来说是很难接受的。

要么就采用无线,但是大部分的无线控制产品都采用的是频率较低的315 MHz、 433MHz的公共频段,该频段上还包括遥控玩具、报警器、遥控门锁等,其产品抗干扰能力差、传输速度慢和产品功耗大等缺陷无法满足智能控制的需求。

电力载波产品曾一度推广力度较大(如X10家族等),可是由于其技术的先天不足,在中国恶劣的电力线环境中,难以保证其通讯的可靠性,许多产品厂商都难以维系其生存,无论产品有多么的便宜,消费者还敢去买吗?

使用难度

那些之前使用过智能控制产品的消费者,其实有很多的功能是不会用的,这有点类似于电视机遥控器,相信大部分人90%以上的功能键是不常用的,起码一半以上的甚至还不知道是做什么的。对于那些过于IT化的复杂控制产品,很难在实际生活中起到主要的作用(除了显呗时尚以外)。因此,操作简单才是多数消费者的心声。

品牌信任

国内其实有很多公司,包括海尔、联想这样的大公司和众多的中小科技公司都在致力于家居智能的产品开发和市场推广,国外的著名品牌企业,如法国罗格朗、ABB等,也相继进入中国市场。那么如何才能在大多数消费者心目真正建立品牌信任度呢,最关键是要取决于品牌的实力、对消费者的了解和服务能力。

ZigBee技术介绍

ZigBee技术是一种应用于短距离范围内低数据传输速率下的电子设备之间的无线通信技术。ZigBee名字来源于“Bee”蜜蜂,“Zig”取自英文单词“zigzag”,意思是走“之”字形,是蜜蜂通过跳之字形状的舞蹈来通知发现的新食物的位置、距离和方向等信息,以此作为新一代无线通讯技术的名称。

随着通信技术的快速发展,短距离无线通信技术已经成为通信技术中的一大热点。各种网络终端的出现、工业控制的自动化和家庭的智能化等都迫切需要一种具备低成本、近距离、低功耗、组网能力强等优点的无线互联标准,ZigBee就是在这样的背景下应运而生的。

ZigBee联盟成立于2001年8月。2002年下半年,英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司和荷兰飞利浦半导体公司共同宣布,将加盟“ZigBee联盟”来研发下一代无线通信标准“ZigBee”。这一标准主要用于近距离无线连接,适合承载数据流量较小的工业控制、医用设备控制、汽车自动化、农业自动化和消费性电子设备等。

ZigBee与Bluetooth (蓝牙)、WiFi(无线局域网)同属于2.4GHz频段的IEEE(美国电气与电子工程师学会)标准网络协议,由于性能定位不同各自的应用也就不同。

从表格中我们可以看出ZigBee技术的特点:

超低功耗

由于ZigBee技术传输速率低、传输数据量很小、内存使用量少,因此信号的收发时间很短,ZigBee节点可以在大部分时间内处于睡眠状态,当需要发送数据时,Zigbee可以在15ms或更短的时间内由睡眠状态进入工作状态,因此即使处于睡眠状态的节点也能做到低时延。所以ZigBee节点非常省电,对于典型应用,碱性电池可以使用数年,对于某些工作时间和总时间(工作时间+休眠时间)之比小于1%的情况,电池的寿命甚至可以超过10年。

网络容量大

ZigBee低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件,而简化功能器件可以用于非常简单的应用。一个ZigBee的网络最多包括有255个ZigBee网路节点,其中一个是主控(Master)设备,其余则是从属(Slave)设备。若是通过网络协调器(Network Coordinator),整个网络最多可以支持超过65000个ZigBee网路节点,再加上各个Network Coordinator(协调器)可互相连接,整个ZigBee网络节点的数目将十分可观。

数据传输可靠

ZigBee的媒体接入控制层(MAC层)采用talk-when-ready的碰撞避免机制,采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。同时,ZigBee网络层采用了网状网的组网方式,从源节点到达目的节点可以有多条路径,路径的冗余加强了网络的健壮性,如果原先的路径出现了问题,比如受到干扰,或者其中一个中间节点出现故障,ZigBee可以进行路由修复,另选一条合适的路径来保持通信,这也是ZigBee加强其可靠性的一个重要特性。

时延短

ZigBee的响应速度较快,从睡眠状态转入工作状态只需15ms,节点连接进入网络只需要30ms,既节约了能源又缩短了时间。相对而言,Bluetooth需要3~10s,WiFi需要3s。

安全性

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。ZigBee加密算法采用AES-128可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件,同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

实现成本低

由于对资源要求低、系统结构简单,产品的构成成本自然降低,再加上Zigbee协议为免专利费用,其大量市场的应用必然大幅度降低芯片的成本。

ZigBee技术在数字家庭领域的应用

Zigbee主要应用于距离短、数据传输速率不高的各种电子设备之间。通常,符合下列条件的应用都可以考虑采用Zigbee技术:设备距离短;设备成本低、数据传输量小;设备体积小,没有充足的电力支持;需要覆盖的范围较大,网络内需要容纳的设备较多;网络主要用于监测或控制。随着ZigBee规范的进一步完善,许多公司均在着手开发基于ZigBee的产品。采用ZigBee技术的无线网络应用领域有家庭自动化、家庭安全、工业与环境控制与医疗护理、检测环境、监测、监察保鲜食品的运输过程及保质情况等等。

在家居中有很多电器和电子设备,如电灯、电视机、冰箱、洗衣机、电脑、空调等等,可能还有烟雾感应、报警器和摄像头等设备,使用了ZigBee技术,可以把这些电子电器设备都联系起来,组成一个网络,还可以通过网关连接到Internet,这样用户就可以方便的在任何地方监控自己家里的情况。

ZigBee技术与中国智能家居现状的高度匹配

通过以上的分析,我们就明显看出这两条线路之间存在必然的关联。

1.低成本是ZigBee技术最具魅力的特征

与总线预埋工程相比,ZigBee无线系统完全省去了管线设计、施工、安装、维护所带来的一大堆成本,另外,对于已经装修好的家居来说,更省去了可能产生的一大笔装修改造费用,再加上产品本身简单且价格低廉,这对于中国的消费者来说是再合适不过了。

2.采用先进成熟的国际标准,没有后顾之忧

采用了属于Bluetooth (蓝牙)、WiFi(无线局域网) 等成熟标准同一个大家族的国际标准,无论进口还是国产的产品,起码无需担忧它被淘汰和不可靠的因素,是传统无线技术或电力载波技术无法比拟的。如果选择实力强大的品牌企业的产品,自然没有后顾之忧。

3.无线网络的解决方案突破了安装方式的难题

基于无线传输特点,ZigBee首先提供了一套无需在设备间额外安装通讯电缆的解决方案,同时,采用了Mesh network网状网络,使无线解决方案由于设备之间传播的信号覆盖整个屋子,突破坚实的结构,就像墙壁、家具等自然成为可能。只需更换传统的开关就可立即实现对灯光、窗帘等电器的智能控制,任何一个非专业的电工都能安装。由于系统的容量大,如果需要的话今后还能不断进行扩展和修改。

4.ZigBee技术本身就是用于简单控制

这是ZigBee技术的定位,对于家居的各种电器控制,都可以采用与传统操作模式类似的简单操作,还可以将复杂的操作简单化,比如一键就可以同时控制灯光、窗帘、音乐等构成的场景,无需让使用者担心设置和记忆问题。

5.国际上许多知名品牌企业选择了ZigBee

比如,法国罗格朗集团早在三年前就已经在开发ZigBee智能控制系统了,今年将在全球投放这套新的系统产品,在中国拥有TCL-罗格朗公司强大的销售和服务队伍,相信必将为中国的智能家居市场带来一场新的转机。