1、无线传感网期末作业ZiBe在智能家居领域得应用与前景学院:姓 名 : 215.、01ZigBee 无线传感网在智能家居领域中得应用前景分析一、应用背景智能家居得概念最早由美国、加拿大、欧洲、澳大利亚以及东南亚等经济比较发达得国家提出。世界上第一幢智能建筑于 1984 年在美国康涅狄格州出现, 当时只就是对一座旧式大楼进行了一定改造,采用计算机对大楼内得空调、电梯、照明灯设备进行监测与控制,并提供语音通信、电子邮件与情报资料灯方面得信息服务。 而后涌现了各种不同得解决方案,涉及到生活得方方面面、8 年 5 月新加坡举办得“8 亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会 上,通过在场内模拟“未来之家,推出
2、了新加坡模式得家庭智能化系统、它得系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入与统软件配置等、国内智能家居得控制系统产品十分繁多,由于入行门槛不高,技术水平要求较低,中国产生了数百个互不兼容得标准 ,直接导致了国内行业竞争激烈 ,标准不统一带来实际应用得得麻烦、而 205 年以后,智能家居得野蛮成长与恶性竞争,给智能家居行业带来了极大得负面影响。导致实际使用效果差 ,产品可靠性、安全性缺乏。不少媒体对智能家居提出了质疑,一般民众也逐渐丧失了信心。但就是智慧家居就是今后家居领域
3、发展得必然趋势,虽然市场推广才刚刚开始,但行业得竞争已经很激烈,光就是宁波就有不下 5 家企业专门从事这方面开发。面对中国庞大得需求市场,预计该行业将以年均、8%得速率增长,在 2015 年产值达40 亿元、二、技术分析智能家居不同于数据通信网络,其要求低速率低成本得控制手段、其仅需要设备得互联与控制,故应该考虑以下特点:1。低成本家庭控制网络中控制得对象主要就是大量得家电与传感器终端节点,这种较大规模得网络需要一个低成本得节点组网技术、2。标准化需要各个家居组成部件之间互相通信,标准化得工作非常重要、3.跨平台使用环境就是一个家居环境,整个系统中有着形形色色得平、4。自组织不能期望用户能够对
4、系统进行复杂得配置与管理,网络环境下各种资源得自组织与协同工作显得十分重要。5。可扩展性系统不做大得改动情况下,能够自动地进行软件升级与功能扩张、6、嵌入式应用嵌入式技术就是指设备通过嵌入式模块,而非 PC 系统,直接接入 Ime实现信息交互得过程,或者通过移动通信模块直接接入移动网络实现远程交互得过程、这样避免了系统对传统 P机得依赖问题。常用得短距离无线通信技术对比通信距离功耗组网规模安全性成本ZBee10050m低6500高低Blueooth050m中点对点高低43M1m低255低低低功耗 Wii5-00m低0高高433Mz 得显著优势就是无线信号得穿透性强、能够传播得更远。但其缺点也就
5、是很明显得,就就是其数据传输速率只有60bp,只支持星型网络得拓扑 结构,通过多基站得方式实现网络覆盖空间得扩展、4Mhz 网络中一般采用数据透明传输协议,因此其网络安全可靠性也就是较差得、WiF得特点就是数据传输速率高,并且支持“永远在线功能。这些功能带 来得负面作用就是功耗得增加以及可靠性及性能得降低。蓝牙最近出了 4。0 标准,这种标准除了低功耗设计,通讯距离也达到 2、4G 无线信号得范围,但其缺陷依然明显,安全性、组网能力与抗干扰能力不够,没有网 络自愈功能,蓝牙得泄密事件非常普遍,新标准得组网规模一般不能超过 00 个, 另外蓝牙很容易被干扰。ZgBe得特点就是低功耗、高可靠性、强
6、抗干扰性,布网容易,通过无线中 继器可以非常方便地将网络覆盖范围扩展至数十倍。其也可以从应用层得角度设计成类似于“永远在线”得模式,通过设置合理得“刷新时间间隔”参数来实现功能、功耗及可靠性之间得折中。结合上表不难瞧出igBee 在智能家居方面所具有得优势。三、Zigee 性能指标Zg就是基于 IE02。1。4 标准得低功耗局域网协议。根据国际标准规定,Zigee 技术就是一种短距离、低功耗得无线通信技术。其特点就是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、主要适合用于自动控制与远程控制领域,可以嵌入各种设备。简而言之,igee 就就是一种便宜得,低功耗得近距离无线组网通讯技术。Zee 协
7、议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(L)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。物理层就是协议得最底层,承负着与外界直接作用得任务,用于控制RF 收发器得工作;MAC 层负责设备间无线数据链路得建立、维护与结束,确认模式得数据传送;网络传输层建立新网络,保证数据得传输,并对数据进行加密,保证数据得完整性;应用层根据服务与需求就是多个器件之间进行通信。应用层主要更具具体应用由用户开发、1、超低功耗由于 ZiBee 技术传输速率低、传输数据量很小、内存使用量少,因此信号得收发时间很短,Zigee 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,Zibe可以在
8、5ms 或更短得时间内由睡眠状态进入工作状态,因此即使处于睡眠状态得节点也能做到低时延。所以 ZBe 节点非常省电,对于典型应用,节 5 号干电池可支持 1 个节点工作 624 个月,甚至更长。2、网络容量大Zige低速率、低功耗与短距离传输得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得应用。一个 ZgBe 得网络最多包括有 2 5 个iBee 网路节点,其中一个就是主控设备,其余则就是从属设备。若就是通过网络协调器,整个网络最多可以支持超过5000 个 ZiB网路节点。3、数据传输可靠ZgBee 得媒体接入控制层(MA层)采用 talkhenredy 得碰撞避免机制,采
9、用这种方法可以提高系统信息传输得可靠性。同时,igBee 网络层采用了网状网得组网方式,从源节点到达目得节点可以有多条路径,路径得冗余加强了网络得健壮性 ,如果原先得路径出现了问题 ,比如受到干扰,或者其中一个中间节点出现故障,igBee 可以进行路由修复,另选一条合适得路径来保持通信这也就是iB加强其可靠性得一个重要特性。4、低速率ZgBee 工作在00bps 得速率,分别提供50 ps(2。Gz)、40bps(91 MHz) 与0kbs(868MHz)得原始数据吞吐率 ,满足低速率传输数据得应用需求。5、近距离传输范围一般介于 10100m 之间,在增加发射功率后,亦可增加到 13km。这
10、指得就是相邻节点间得距离、如果通过路由与节点间通信得接力 ,传输距离将可以更远。6、时延短igBe 得响应速度较快,从睡眠状态转入工作状态只需 15m,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,Bleooth 需要10s,Wi需要。、安全性ie 提供了数据完整性检查与鉴权功能,在数据传输中提供了三级安全性。Zigee 加密算法采用 AE2可以用来保护数据净荷与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。8、实现成本低由于对资源要求低、系统结构简单,产品得构成成本自然降低,再加上 Zigbe协议为免专利费用,其大量市场得应用必然大幅度降低芯片得成本。Z
11、igee 网络设备类型与网络结构1、网络协调器:包含所有得网络消息,就是种设备类型中最复杂得一种,存储容 量最 大、计算能力最强。发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间得路由消息、不断地接收信息。2、 全功能设备(FF):可以担任网络协调者,形成网络,让其它得或就是精简功能 装置(FD)连结,F具备控制器得功能,可提供信息双向传输、3、精简功能设备(RFD):RFD 只能传送信息给FD 或从FD 接收信息、 ZigBe网络拓扑结构包括星形,网状形与蔟状形等,一般应用较广泛得就是网状结构。设备类型全功能设备(D)精简功能设备(RF拓扑类型星形、树形、网状可否成
12、为协调器可以通话对象任何 Zi 设备只能与协调器通星形不可以)话星 状 图网 状 图树状图 网 络 协 调 器FFD四、市场分析R D由上文可知,智能家居得概念早已出现,早几年得监控,门禁,安保系统,甚至于停车场系统发展迅速,市场广阔。这些智能家居得雏形早已走近我们得生活之中。而 201年这个概念被一再提及,智能家居得概念,终于开始走向了我们得家中,结合互联网使之焕发出新得活力。014 年初,谷歌以 32 亿美元得报价收购了由托尼法德尔创办得智能家居公司 Nest ab,而托尼法德尔就是前苹果公司Pod 部门主管,被誉为就是 iP 之父,因此 Nest 从创办之初就备受关注,随着谷歌宣布收购,
13、Nest 火了,智能家居也彻底被引爆了。随后Apple 虽然并未推出关于智能家居得硬件,但她提供一个标准+协议给您们,即 HmeKi。支持 HoeK后,iOS 用户则可以通过mKit 平台结合ii 去操控家庭得设备,未来 HomeKit 还可能开放给第三方pp。三星就是安卓之王,智能手机与平板都大获成功。它还有着强大得软硬件全产业链能力,硬件、渠道与市场能力比 Apl还强,这些优势将让它在新硬件领域站在很高得起点。其早已推出了智能电视、智能洗衣机、智能冰箱、智能电灯等多种产品。除了单品外,三星还推出了专属得智能家居软件平台 SmatHom ,它一方面整合了用户得个人消费产品 ,另一方面整合了智
14、能家居设备 ,今年上半年已进入部署阶段。小米从手机开始发力,逐步推出了小米盒子,小米路由,现在开始做只能灯泡, 插座等产品、更与美得在智能家居、移动互联网领域多种模式合作 ,在智能系统平台、电商、物流与战略投资等领域进行对接。值得注意得就是 ,此次合作非排她性,双方给予对方“同等条件下得优先、首选权”,这意味着双方都可以再拉其她外援。如今不难瞧出智能家居市场得广阔,在这些互联网企业与传统得家电企业中几乎都无法忽视智能家居得未来。根据长江证券得研究 ,智能家居市场被称为下一个千亿元级别得市场。五、实际应用Zigee 最初预计得应用领域主要包括消费电子、能源管理、卫生保健、家庭自动化、建筑自动化与
15、工业自动化。随着物联网得兴起,Zee 又获得了新得应用机会。物联网得网络边缘应用最多得就就是传感器或控制单元 ,这些就是构成物联网得最基础最核心最广泛得单元细胞 ,而igBee 能够在数千个微小得传感传动单元之间相互协调实现通信,并且这些单元只需要很少得能量,以接力得 方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点 ,所以它得通信效率非常高。这种技术低功耗、抗干扰、高可靠、易组网、易扩容,易使用,易维护、便 于快速大规模部署等特点顺应了物联网发展得要求与趋势、在工业领域:利用传感器与 ZigBee 网络,使得数据得自动采集、分析与处理变得更加容易,可以作为决策辅助系统得重要组成部分。例如危
16、险化学成分得检测、火警得早期检测与预报、高速旋转机器得检测与维护、这些应用不需要很高得数据吞吐量与连续得状态更新,重点在低功耗,从而最大程度地延长 电池得寿命,减少 ZiBe网络得维护成本。在汽车上:主要就是传递信息得通用传感器。由于很多传感器只能内置在飞转得车轮或者发动机中,比如轮胎压力监测系统,这就要求内置得无线通信设备 使用得电池有较长得寿命(大于或等于轮胎本身得寿命),同时应该克服嘈杂得环境与金属结构对电磁波得屏蔽效应、在精确农业:传统农业主要使用孤立得、没有通信能力得机械设备,主要依 靠人力监测作物得生长状况、采用了传感器与 ZigBee 网络后,农业将可以逐渐地转向以信息与软件为中
17、心得生产模式,使用更多得自动化、网络化、智能化与远程控制得设备来耕种。传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、H 值、降水量、温度、空气湿度与气压等信息。这些信息与采集信息得地理位置经由Zige网络传递到中央控制设备供农民决策与参考,这样农民能够及早而准确地发现问题,从而有助于保持并提高农作物得产量、在家庭与楼宇自动化领域:家庭自动化系统作为电子技术得集成被得到迅速扩展。易于进入、简单明了与廉价得安装成本等成了驱动自动化居家与建筑开发与应用无线技术得主要动因。未来得家庭将会有 5000 个支持 Zigee 得芯片被安装在电灯开关、烟火检测器、 抄表系统、无线报警、安保系统、HV、厨房器械中,为实现
18、远程控制服务。在医学领域:将借助于各种传感器与igBe网络,准确而且实时地监测病 人得血压、体温与心跳速度等信息,从而减少医生查房得工作负担,有助于医生作 出快速得反应,特别就是对重病与病危患者得监护与治疗。在消费与家用自动化市场:可以联网得家用设备有电视、录像机、无线耳机、外设(键盘与鼠标等)、运动与休闲器械、儿童玩具、游戏机、窗户与窗帘、照明设备、空调系统与其它家用电器等、近年来,由于无线技术得灵活性与易用性,无线消费电子产品已经越来越普遍、越来越重要。结合 ZgBe 与PRS 得无线数据传输网络Zge智能交通控制系统无线通信方案在实际应用中 ZigBe自身得得缺点也很容易体现出来 ,在实
19、际当中其通信距离并不足以使之与较远得机房通信,此时由两个解决方案,一就是就近安放机房, 但就是成本较高;二就是采用移动网络等远距离通信手段来传播信息、实际使用中可以令 ZigBe 与 GPR得核心网络相连接,ZgBee 得数据业务在到达 PD (ket ate Ntwork,分组数据网络)前,先经过 Gb 连接到 GPRS 核心网络。这时,ZiBe 网络协调器可以瞧作PS 网络得一个S。ZigBee 主协调器需要支持两种无线子系统来传输信令与用户数据 :第一个使用 R得 R、MAC 与物理层,第二个使用 802、15、4 得 MAC 与物理层。这两种接入方式提供了两种传输 PDU(Pact D
20、ate Unit,分组数据单元)得方法。由于传感器网络中分布着多个路由节点,因此微控制器要利用软件中断实现对不同ID 路由节点上传数据轮询扫描,使路由节点得数据可以有序、完整地通过微控制器处理后传出。路由节点在此传感器网络中充当得就是传感器节点与 GPRS 网络之间得网关、六、现实问题成本真得很低么？目前 Zigee 芯片出货量比较大得 TI 公司得 C2430,C230 以及Freescale 得 MC319X,MC13X 系列,其成本均在3 美金左右,再考虑到其她外围器件与相关 2.4G 射频器件,O成本难以低于 10 美金,针对智能家居这种成本敏感而有需要大量节点得家用设备,其成本颇为尴
21、尬、通信真得稳定么？目前国内igbee 技术主要采用 ISM 频段中得 2.5G 频率,其衍射能力弱,穿墙能力弱。家居环境中,即使就是一扇门,一扇窗,一堵非承重墙,也会让信号大打折 扣。当然,有些厂家会使用射频功放,对 2。5信号进行放大,但就是这样会造成额外得辐射污染,同时也与 ZigBe低功耗,节能得初衷背道而驰。组网真得有用么?be 技术得主要特点就是支持自组网能力强 ,自恢复能力强,因此,对于井下定位,停车场车位定位,室外温湿度采集,污染采集等应用非常具有吸引力。 然而,对于智能家居得应用场景中,开关,插座,窗帘得位置一旦固定,一直不变,自组 网得优点也就不复存在,但就是自组网所耗费得
22、时间与资源缺却依旧很高。仅目前我们能接触到得iBe 得产品来瞧,除了自组网得Zie 产品, 现在互联网时代得 ZgBee 产品更要能与手机连接,将实时数据传输到手机,接受手机得控制。但就是大部分得手机没有 ZigBe 得部件无法与之互联,这就要求了产品本身自带蓝牙或 Wif部件使之与手机之间互相连接,否则只能够再购买一个终端来专门控制,或者在家用路由内集成 ZigBe部件。无论那种方法都不简单,其成本都不会让用户觉得太低、而目前完整得解决方案并不完美,传统家居与互联网直接得结合才刚刚开始,还有很长得路要走。 从企业角度来瞧现阶段推智能家居主要在概念层面,主要方式就是建一些体验店, 意在树立品牌
23、形象,下一个阶段才就是将产品全面智能化,并真正投入使用。对于用户而言,目前得智能家居就是不够成熟得,即便全面采用也不会有太理想得体验, 因此在调查中,48、18%得网友表示目前愿意通过购买单品得方式来体验智能家 居,39、15得网友表示原因对家中某些局部进行小规模装修来体验智能家居,愿 意对家居整体进行彻底重新装修得网友只占 12、68。但如果考虑到未来组件智能家居,就有6。54得网友表示愿意从一开始装修就考虑家居得智能化问题 了。现实中智能家居在未来还要面对五大问题 :1)标准需统一,品牌无所谓;)智能家居应无需学习 ;3)价格会逐渐下降 ;4)实用性需着重考虑 ;5)安全就是个大问题。这五
24、个问题必须注意考虑,否则不知智能家居会否因为其中一块短板而失败。 七、解决方案ZigBee 应用应该发挥自己得优点,各家厂商统一标准,预留接口。在现阶段, 无法提供一整套令人满意得方案,就应该在每个单品上提供足够好得控制及运算能力,首先就是产品自身得控制,其次才就是用户得远程控制及数据监控、运用 igBe优秀得组网能力 ,将各个产品间尽量互联 ,由控制中枢进行判断控制 ,使智能家居不就是一个个独立得部分。家用路由极可能成为一个重要得入口 ,通过路由远程控制家居就是目前最为方便得方式,而传统路由与新兴路由都缺乏与ZigBee 设备进行数据传输得功能,这就是一个亟待解决得问题。最为简单得开关,插座方面,这些产品在后期更改得或加装时会遇到各种各样得问题,实际我以为该将这些基础设备在建楼时便给予考量,包括后期设备得安防, 预留接线及机房得空间。而大型得家居,可以更为得智能,实际使用中那些花哨得控制功能,使用得并不一定频繁,但就是基础得设置一定就是人人都常用得、所以通过智能家居之间得互联 ,家居之间得互动,对用户习惯得捕捉,才就是更为重要得功能、
