ZigBee技术及其在楼宇自动化系统中应用的思考

1、ZigBee技术及其在楼宇自动化系统中应用的思考 东南大学 白建波 张小松 路诗奎【摘要】本文阐述了在楼宇自动化领域采用无线通信技术的优越性以及目前在楼宇自动化系统中应用无线通信技术所面临的问题。提出了ZigBee的出现将推动无线通信技术在楼宇自动化领域应用，并对ZigBee技术的原理及其在楼宇自动化领域的发展前景进行了展望。【关键词】ZigBee技术 楼宇自动化系统 无线局域网 蓝牙 随着计算机技术、控制技术和通信技术的发展，楼宇自动化工业在过去的十年中获得了巨大的发展，遵循BACnet、LonTalk和EIB（European Installation Bus，欧洲设备安装总线协议）这些标

2、准化通信协议的楼控产品在行业中占据着主导地位。使用这些通信协议的楼宇自动化网络所采用的通信传输介质（比如双绞线、同轴电缆和光缆）通常都是有线的，无线通信技术有没有可能在楼宇自动化领域占有一席之地并得到广泛应用呢? 和采用有线网络的通信技术的楼控产品相比较，无线解决方案最吸引人的地方是安装布置的灵活性、低廉的安装费用和对楼宇自动化系统进行重新布置时可移动性。尽管无线通信技术和有线相比较有明显的优势，而且蜂窝无线移动通信技术、无线局域网技术和蓝牙技术已经在市场上获得了巨大的成功，但无线通信技术在楼宇自动化领域应用相对还是很少。这主要是因为目前没有一项无线通信技术适合在楼宇自动化领域进行广泛的推广，

3、而且现有的一些针对楼控领域无线通信产品的价格偏高，导致无线通信技术在楼控领域的应用停滞不前。随着近年来人类在微电子机械系统（MEMS）、无线通信、数字电子方面取得的巨大成就，使得发展低成本、低功耗、小体积、短通信距离的多功能传感器成为可能。近期所涌现出来的一项新的无线通信技术ZigBee技术将改变这种状况。ZigBee技术产品以其低成本、低功耗、低传输速率、优秀的组网能力，被广泛认为将在未来的几年中对楼宇自动化工业产生重大的影响。1 无线通信技术在楼宇自动化系统应用的优越性无线通信技术是利用电磁波在空气中发送和接收数据，而无需线缆介质。在楼宇自动化系统中采用无线通信技术是对系统有线组网方式的一

4、种补充、扩展甚至是替代。无线通信技术使得楼宇自动化设备具有可移动性，它能快速方便地解决使用有线方式所不易实现的网络联通问题。与有线传输方式相比较，在楼宇自动化系统中采用无线通信技术具有低廉的安装费用、灵活性和可移动性等优点，以下是对其的详细阐述：（1）通常在智能建筑的网络建设中，施工周期最长、对周边环境影响往往是综合布线系统，采用无线通信技术最大的优势就是可以免去楼宇自动化系统中网络布线的大部分工作量。（2）在采用有线传输方式的楼宇自动化网络中，网络设备的安放位置通常受网络信息点位置的限制。但是一旦无线网络建成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络。（3）由于有线网络缺少灵活性

5、，这就要求楼宇自动化系统的网络规划者尽可能地考虑未来发展的需要，这往往需要预设大量利用率较低的信息点；而一旦网络的发展超出了设计规划，则需要对网络的布局进行重新的考虑，而无线网络可以避免或减少以上情况的发生。（4）假如对楼宇自动化系统重新进行改造，对于有线网络，消除原有的旧系统和对新系统进行新的布置将带来庞大的工程费用，而无线网络则相反将会带来巨大收益。2 无线通信技术目前在楼宇自动化系统应用所面临的问题尽管在楼宇自动化系统中采用无线通信技术具有有线无可比拟的优势，但目前采用有线传输介质的楼控产品仍然占据着绝对的主导地位，人们在进行楼宇自动化系统设计时，很少会考虑到采用无线通信技术。这主要是因

6、为目前针对楼宇自动化系统的无线产品尚面临着成本、可靠性、适用性和协议的标准化等一系列问题。另外楼宇自动化系统属于控制网络的一种，控制网络肩负的特殊任务和工作环境，使它具有许多不同于普通计算机网络的特点。控制网络以具有通信能力的传感器、执行器、控制器作为网络节点，并将其连接成开放式、数字化、实现多节点通信，完成监测控制任务的网络系统。以下是控制网络所需要具备的主要特点： 数据传输量相对较小； 传输数率相对较低，多为短帧传送； 通信传输的实时性强； 抗干扰能力强，可靠性高。在选择合适的应用于楼宇自动化系统的无线通信技术时，必须对以上的内容进行综合考虑。目前无线通信技术在楼宇自动化领域的应用探讨比较

7、多的主要有无线局域网技术、蓝牙技术和ZigBee技术。无线局域网技术（WLANWireless Local area network）是一种借助无线通信技术取代以往有线布线方式构成局域网的新手段，可提供传统有线局域网的所有功能，它是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。蓝牙技术是一种短距离无线连接的无线技术，目的是取代现有的PC、打印机、传真机和移动电话等设备上的有线接口。无线局域网技术和蓝牙技术都不能够完全具备适合在楼宇自动化系统应用的特点。ZigBee技术是建立在IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，美国电气电子工程师

8、学会）802.15.4基础上的无线通信协议，它是一个短距离、低功耗协议，特别适合设计应用在小型的建筑物自动化设备中，比如温度自动调节装置、灯光控制设备、环境传感器等。ZigBee技术能够在低功耗下提供短距离、低速的数据传输，使用普通干电池的ZigBee无线传感器能够持续运行23年的时间。另外ZigBee技术优秀的组网能力使得它和其他无线通信技术在楼宇自动化系统中的应用相比尤其具有无可比拟的优势。3 ZigBee技术分析ZigBee技术是由一个企业之间的团体ZigBee联盟（ZigBee Alliance）负责制定和推广。ZigBee联盟由霍尼韦尔（Honeywell）、英维思（Invensys

9、）、三菱电气（Mitsubishi Electric）、三星（Samsung）、摩托罗拉、飞利浦（Philips）和 Ember七家国际著名公司作为发起方，截至到2004年11月该联盟所参加的企业成员已经超过100家，均为在行业中有重大影响的企业。ZigBee技术建立在IEEE802.15.4标准技术之上，IEEE802.15.4是一个支持低功耗、低数据传输率的无线网络标准，主要是设计用来进行远程监测与控制的应用。在2003年的5月，IEEE802.15.4标准得到了正式批准。IEEE802.15.4是一个简单的但功能却十分强大的数据包协议，它通过确认、错误检测、区分优先次序的通信、DSSS（

10、Direct Sequence Spread Spectrum直接序列扩频技术，它具有改变频率消除干扰的能力）和用户选择安全等级等技术来提供无线通信的高可靠性。IEEE802.15.4标准同样只规定了开放式系统互联参考模型中的物理层和介质访问子层，其中物理层定义了三个许可的频率波段，它们分别是2.4GHz（最高传输速率250kbps）、915MHz（最高传输速率40kbps）和868MHz（最高传输速率20kbps）。ZigBee技术在IEEE802.15.4所定义的基础上又增加了网络层、安全层和应用轮廓层（Application Profiles）。ZigBee支持星型、网状和树簇状的网络拓

11、扑结构。在每一个ZigBee网络中最多可以拥有65535个节点，每个节点的地址由ZigBee的网络协调节点（Network Coordinator）负责分配。另外每个节点的传输范围在30100m之间，而且传输的距离还可以通过使用功率放大器和多跳网状网络结构得到延伸。ZigBee技术在楼宇自动化领域有广阔的发展和应用前景，首先ZigBee技术是一项低成本、低功耗的无线解决方案，采用ZigBee技术的无线传感器使用普通的干电池即可工作23年的时间，而ZigBee芯片的价格将在12年时间内降低到2美元左右；其次ZigBee技术支持网状网络结构，这使得ZigBee网络具有自组织、自修复的能力，提高了网

12、络的可靠性；第三，ZigBee网络支持数量众多的节点，这点对于大型的楼宇自动化系统中需要大量的传感器和控制器的场合是非常重要的。4 ZigBee技术在楼宇自动化领域的应用前景根据美国著名的市场研究机构ABI Research1预测：内建ZigBee无线装置的产品将从2005年的100万台发展到2006年的8000万台。ZigBee巨大的发展空间在于其技术上明显的优势以及市场定位的明确。目前国际上楼宇自控方面专家基本上形成了共识，无线通信技术在楼宇自动化的应用将不可阻挡2。无线网络将不仅仅是对有线网络有益的补充、扩充，而可能是替代作用。在使用ZigBee技术的楼宇自动化系统中，无线网络的框架是网

13、状结构，使用一定数量的ZigBee路由器节点即可覆盖整个的建筑内部区域，而且节点数越多，系统将越可靠。另外由于网状网络结构具有自配置的功能，增加新的节点时或重新对节点进行布置时将十分方便。而无线网络的边缘是星型结构，大量内建ZigBee无线装置的传感器或者执行器被接入网络，这些传感器使用普通的干电池就可以工作23年时间。尽管ZigBee技术有无可比拟的优势，但其在楼宇自动化的应用还面临着和BACnet、LonTalk以及EIB这些主要采用有线网络的国际化标准化通信协议相融合的问题，目前采用这些通信协议的楼控产品已经十分成熟，而且在楼控领域占据着主导地位。ZigBee技术的融入比较简单的做法是在

14、ZigBee网络和这些异种网络之间建立相关网关作为它们之间的桥梁，那么ZigBee将是这些有线网络的有益补充，届时整个楼宇自动化系统将出现无线网络和有线网络共存的局面，从而获得较高的经济效益。更为完善的做法是在ZigBee技术的基础上建立与BACnet、LonTalk通信协议相类似的适用于楼宇自动化领域的整套无线通信协议，这种情况下ZigBee将能够和这些通信协议相并驾齐驱，并有可能最终替代这些主要采用有线网络的通信协议。5 结论随着我国经济的迅速发展，智能建筑的数量将会越来越多，选择适合中国国情的楼宇自动化技术及产品是人们迫切需要关注的一个问题，但目前我国智能建筑中所使用的楼控系统及产品大多被国外的大公司所垄断，ZigBee技术的出现将给我国开发自主的具有世界先进水平的楼宇自动化系统及产品提供一个崭新的契机。参考文献1ABIResearch.ZigBeeand802.15.4WirelessNetwork MarketsEB/OL2Jeff Wills.Will HVAC Contro