有人要求發(fā)明者發(fā)明下一項(xiàng)重大技術(shù)，但我們實(shí)際上需要的是更好的電燈開關(guān),。想想普通的電燈開關(guān)是如何工作的: 電燈本身可能裝在天花板中央，但如果用戶想站在門口就能開燈,，還得把線拉到門口,。

    這都是上個(gè)世紀(jì)的事！如今,，有了無(wú)線技術(shù),，用戶就可以使用用雙面膠就能貼在墻上的開關(guān)。這樣一來(lái),，如果用戶想把開關(guān)位置放低,，以便坐在輪椅上的客人能夠得著，那么只要把它撕下來(lái),，往下移,，再貼回到墻上即可,。

    幾十年來(lái)，建筑物就有了有線控制網(wǎng)絡(luò); 自馬可尼時(shí)代以來(lái),，電氣工程師們就一直試圖把有線網(wǎng)絡(luò)變成無(wú)線網(wǎng)絡(luò),。不過，直到1998年,，現(xiàn)已解散的行業(yè)組織HomeRF工作組才開始設(shè)計(jì)可以使用可粘貼電燈開關(guān)這些裝置的一種系統(tǒng),。五六種現(xiàn)有的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)由于諸多原因并不勝任這項(xiàng)工作，于是研究人員開始設(shè)計(jì)新的標(biāo)準(zhǔn),。

    2000年,，IEEE針對(duì)無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（WPAN）啟動(dòng)了自己的項(xiàng)目: IEEE 802.15.4。隨之獲得的標(biāo)準(zhǔn)就是ZigBee 1.0,，它于2003年發(fā)布,，今年初得到了更新。這個(gè)名字通常會(huì)讓人想到蜜蜂引導(dǎo)同伴飛向鮮花的之字形舞——這形象地描述了網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備尋找及聯(lián)系對(duì)方的方式,。符合標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品預(yù)計(jì)會(huì)在一年內(nèi)進(jìn)入商店,。

    與IEEE 802.11知名度更高的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)一樣，ZigBee也是一項(xiàng)局域網(wǎng)技術(shù),，它可以為家庭提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù),。不過在其他方面，兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)各不相同,。Wi-Fi耗用大量功率來(lái)提供大量的高速數(shù)據(jù)流,，而ZigBee幾乎不耗用什么功率; Wi-Fi使用一個(gè)中央路由器來(lái)提供覆蓋服務(wù)，而ZigBee利用一起加入網(wǎng)絡(luò)的諸多小節(jié)點(diǎn)共同提供覆蓋服務(wù),。

    這完全與兩者預(yù)期的應(yīng)用不同有關(guān),。ZigBee用來(lái)連接的是電燈開關(guān)，不是多媒體娛樂中心,，所以雖然數(shù)據(jù)速率只有Wi-Fi的五分之一,，照樣應(yīng)付得過去。而且在ZigBee中,，一些節(jié)點(diǎn)會(huì)放在地板下方及其他難以觸及的地方,，所以即使它們耗用的功率極小，也需要配備電池,。一個(gè)ZigBee控制點(diǎn)使用兩節(jié)AA堿電池就可以用上好幾年,。

    應(yīng)用的拓展

    ZigBee的發(fā)展前景絕不僅僅局限于電燈開關(guān)。能夠改造家居的傳感器技術(shù)問世已有數(shù)年,。直到現(xiàn)在,，業(yè)界缺少的只是一種可以使用這些技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行的方式。

    譬如說，用戶家窗戶和門上安置的傳感器能夠以無(wú)線方式每分鐘向中央安全控制器報(bào)告幾次“一切正常”的情況——直到幾年前,，只有像博物館這些地方才可能享有這種安全級(jí)別,。每間房子里的傳感器能夠監(jiān)控有沒有人、溫度,、濕度和光線亮度,，然后把數(shù)據(jù)發(fā)送到暖通空調(diào)控制器?？刂破飨炔槊髂硞€(gè)房間里面有沒有人; 只有查明有人后,，才決定拉上還是放下遮光窗簾、打開還是關(guān)上調(diào)節(jié)氣門,，或者全速還是減速啟動(dòng)暖通空調(diào)系統(tǒng),。可以把里面有人的房間維持在穩(wěn)定的舒適區(qū),。

    與此同時(shí),，家里的貓門會(huì)檢查你家寵物身上的射頻識(shí)別（RFID）標(biāo)記，讓小貓回到家里,，而把小區(qū)的其他小動(dòng)物拒之門外,。菜園里面的傳感器會(huì)不斷檢查土壤的濕度和濕度、光照強(qiáng)度以及空氣溫度,，需要時(shí)就打開噴灑裝置,。

    完成部分這些任務(wù)的控制系統(tǒng)在辦公大樓和工廠已存在了數(shù)年。大樓內(nèi)到處是線纜,，把成本高昂的傳感器和中央服務(wù)器連接起來(lái),。不過，重新為家居布線以實(shí)現(xiàn)這些功能是荒謬的想法——施工人員得鉆孔,、爬上閣樓或者在爬行空隙里鉆行,。還往往要鑿開墻壁。布線工作完成后,，還要開始大規(guī)模的表面修補(bǔ)工作,。

    雖然線纜本身每米的成本只有0.33美元，但為控制網(wǎng)絡(luò)布線的工作量往往每平方米樓面面積就需要22美元,。雖然為新房子構(gòu)建這種系統(tǒng)的成本只有舊房翻新的一半,，但還是不便宜,。一般的新房子需要大約300個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn); 光結(jié)構(gòu)性布線每個(gè)房間就需要350美元左右,。

    用戶可以使用房子現(xiàn)有的交流電線纜，從而設(shè)法避免安裝成本,。有些系統(tǒng)就具有這種功能,。不過，用戶只能夠得著連接有電氣系統(tǒng)的那些地方; 只有這些地方離控制裝置非常近、防止電源線上的噪聲淹沒信號(hào),，才可以使用它們,。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，信號(hào)可以可靠地收到,，不會(huì)受到難以預(yù)測(cè)的射頻傳播和吸收等變數(shù)的影響; 甚至可以收到來(lái)自車庫(kù)窗戶和院子里的土壤傳感器等邊遠(yuǎn)位置的信號(hào),。

    ZigBee的優(yōu)點(diǎn)

    ZigBee節(jié)點(diǎn)是一種簡(jiǎn)單的東西。其核心是多信道無(wú)線電裝置和微控制器,，它們都在一塊硅片上,，裝在如同小指指甲大小的塑料封裝體里面。成品里面當(dāng)然不止ZigBee芯片,。電燈開關(guān)等一些裝置只有觸發(fā)器和面板,，而另一些裝置如恒溫器會(huì)有另外的繼電器、液晶顯示屏及其他元件,。

    ZigBee網(wǎng)絡(luò)以自主方式組建而成,，所以房主安裝了第二個(gè)設(shè)備后，它會(huì)尋找第一個(gè)設(shè)備,，第一個(gè)設(shè)備可能是網(wǎng)絡(luò)的初始控制開關(guān),。第三個(gè)設(shè)備安裝后，它會(huì)尋找頭兩個(gè)節(jié)點(diǎn)中離自己比較近的那一個(gè),。默認(rèn)情況下,，第一個(gè)設(shè)備之后的所有設(shè)備必須通過驗(yàn)證，才被允許使用現(xiàn)有設(shè)備作為通信“骨干”來(lái)回轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào),。

圖1 與硬幣大小相仿的ZigBee模塊

    驗(yàn)證過程可能只需要摁一下按鈕這么簡(jiǎn)單; 但如果設(shè)備配有熒屏和鍵盤,，可能比較復(fù)雜。實(shí)際上,，網(wǎng)絡(luò)通常被配置成要求在添加設(shè)備之前獲得房主的許可; 就是為了防止鄰居的電燈無(wú)意中加入網(wǎng)絡(luò),。設(shè)備添加完畢，網(wǎng)絡(luò)就可以獨(dú)立詢問這是什么設(shè)備,、它能提供什么服務(wù),。

    構(gòu)建自己的ZigBee網(wǎng)絡(luò)

    可以自行構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)嗎？這取決于你的動(dòng)手能力有多強(qiáng),。要添加即撕即貼的電燈開關(guān),，只要用具有ZigBee功能的開關(guān)換下原來(lái)墻上的開關(guān)，然后往墻上貼一個(gè)即撕即貼的開關(guān)控制器,。只要使用一把螺絲刀,，就很容易把原來(lái)墻上的有線開關(guān)升級(jí)成ZigBee開關(guān)（記住首先切掉電源）。

    接下來(lái),，你讓兩者“相互認(rèn)識(shí)”: 摁一下一個(gè)開關(guān)上的按鈕,，然后迅速摁一下另一個(gè)開關(guān)上的相應(yīng)按鈕,。從這一刻起，兩個(gè)開關(guān)就可以協(xié)同工作了（最后會(huì)有本身使用ZigBee的照明裝置,，但最初通過替換方式來(lái)實(shí)現(xiàn),。）不過，如果你想安裝在家里的窗戶和戶外門上安裝具有ZigBee功能的新鎖閂,，恐怕需要請(qǐng)來(lái)鎖匠,。

    ZigBee本來(lái)就是用來(lái)在大部分時(shí)間處于睡眠狀態(tài)的設(shè)備之間不太頻繁地傳送簡(jiǎn)短信號(hào)。理論上的最大數(shù)據(jù)速率只有每秒250千比特,，不過仍非?？欤阋员M量縮短傳送器或者接收器的“工作”時(shí)間; 兩個(gè)設(shè)備之間的典型通話一般只用幾毫秒,，這樣傳送器可以迅速回到睡眠狀態(tài),。

    ZigBee使用的頻段與Wi-Fi一樣，開發(fā)者當(dāng)中有許多是曾開發(fā)其他標(biāo)準(zhǔn)（譬如針對(duì)Wi-Fi的802.11和針對(duì)WiMax的802.12）的同一批人,。有許多免執(zhí)照的頻譜可以使用,，諸多802標(biāo)準(zhǔn)利用了大部分這些頻譜，其他許多技術(shù)也一樣,。雖然成本效益是ZigBee的設(shè)計(jì)師考慮的重要因素,，但穩(wěn)健性、可靠性及在嘈雜的射頻環(huán)境中具有抗干擾性同樣很重要,。

圖2 ZigBee熱點(diǎn)模塊

    為這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)無(wú)線電部分的人員當(dāng)初尋求最穩(wěn)健的調(diào)制方法,，最后選擇了正交相移鍵控（Quadrature PSK）方法: 在過去的二十年，美國(guó)宇航局就使用同樣這項(xiàng)技術(shù),，與“航海者號(hào)”和“伽利略號(hào)”太空飛船及火星探測(cè)車進(jìn)行聯(lián)系,。這項(xiàng)技術(shù)基于相移鍵控（PSK）調(diào)制方法: 無(wú)線電波正常振蕩的波峰和波谷突然跳過了半個(gè)周期，因而會(huì)在預(yù)計(jì)出現(xiàn)波谷的時(shí)候出現(xiàn)波峰,。“不連續(xù)的相位跳躍”的方向表明了收到1或者0,，這一不連續(xù)性極其明顯，在不適宜居住的環(huán)境也能檢測(cè)到,。

    正交相移鍵控則更進(jìn)一步,。它可以傳送兩個(gè)比特的信息: 00、01,、10或者11,，從而可以在同一時(shí)間內(nèi)收到多一倍的信息，而不是每次相位轉(zhuǎn)變傳送一個(gè)1或者一個(gè)0,。正交相移鍵控法具有極強(qiáng)的適應(yīng)性,，不過作為一種調(diào)制方法，它很少應(yīng)用于成本低廉的系統(tǒng),，原因是它非常復(fù)雜,，而且成本很高。的確,，正因?yàn)樯漕l硅技術(shù)在過去十年取得了進(jìn)步,，才讓它得以適用于消費(fèi)者系統(tǒng)。

    ZigBee協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備進(jìn)行命名采用了64位方法——這完全足夠?yàn)榧又莺┥系拿苛Ｉ匙淤x予一個(gè)惟一的地址,。一旦設(shè)備安裝完畢,，地址就被映射成本地16位網(wǎng)絡(luò)地址，那樣ZigBee網(wǎng)絡(luò)擁有的活動(dòng)設(shè)備可以超過64000個(gè),。

    即使在有上千個(gè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)中,，它們都同時(shí)連接到網(wǎng)絡(luò)上，大多數(shù)設(shè)備上的傳感器也會(huì)在大部分時(shí)候處于睡眠狀態(tài),，只是在報(bào)告或者表明事件時(shí)才醒來(lái),。底層的分組無(wú)線技術(shù)確保了等待傳送的信號(hào)被成功接收，不管信道有多忙碌,。因?yàn)閆igBee無(wú)線電裝置檢查信道每秒可超過一千次,，所以它能夠避開Wi-Fi、無(wú)繩電話和微波爐引起的帶寬擁塞,。一旦它發(fā)送了數(shù)據(jù)包,，就會(huì)回到睡眠狀態(tài)。

    與有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的許多現(xiàn)有系統(tǒng)不同,，ZigBee一開始就旨在能夠防御黑客及其他威脅——無(wú)論來(lái)自鄰居家好奇的少年,，還是在街上開著車、瞅準(zhǔn)未加保護(hù)的房子試圖撬開電子鎖的小偷,。這項(xiàng)IEEE標(biāo)準(zhǔn)使用了高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn),，這是一種久經(jīng)考驗(yàn)的公鑰加密方法。這種方法利用了商業(yè)廠商提供的成熟的安全密鑰分發(fā)和管理解決方案,，這些廠商會(huì)添加一整套安全功能,。這項(xiàng)技術(shù)不僅僅通過網(wǎng)絡(luò)安全傳送密鑰，還可以讓房主或者可信的廠商登錄到網(wǎng)絡(luò)上,、添加新的傳感器,，以及更新網(wǎng)絡(luò)的軟件。

    ZigBee無(wú)線電裝置和處理器要取得成功,，必須尺寸小,、功耗低，但單單做到這點(diǎn)還不夠,。與其他網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)一樣,，它們必須與符合這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的其他設(shè)備兼容。不然,，ZigBee永遠(yuǎn)得不到廣泛使用,，那樣制造廠商也就無(wú)法獲得規(guī)模經(jīng)濟(jì),。所以，行業(yè)組織 ZigBee聯(lián)盟希望提出標(biāo)準(zhǔn)遵從方面的要求及射頻兼容性方面的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法——就像IEEE 802.11有Wi-Fi聯(lián)盟,、802.16有WiMax論壇那樣,。

    廣闊的應(yīng)用前景

    非營(yíng)利組織ZigBee聯(lián)盟由當(dāng)初開發(fā)基本IEEE標(biāo)準(zhǔn)的同一批人在2002年組建而成，現(xiàn)在它有大約200家成員公司,，其中包括傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)生產(chǎn)商（如霍尼韋爾,、約翰遜控制公司和西門子）、新的控制系統(tǒng)公司（鹽湖城的Control4 Corp.）,、針對(duì)特定行業(yè)的公司（丹麥的暖通空調(diào)制造商Danfoss Group Global和瑞典的鎖具生產(chǎn)商亞薩合萊）,、專門從事ZigBee的新興公司（澳大利亞的Daintree Networks、韓國(guó)的Orange Logic和西雅圖附近的San Juan Software）以及半導(dǎo)體公司（飛思卡爾半導(dǎo)體,、意法半導(dǎo)體和德州儀器）,。

    符合標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線電發(fā)送器的零售價(jià)在迅速接近1美元，而無(wú)線電裝置/應(yīng)用處理器/內(nèi)存在同一個(gè)封裝體里面的產(chǎn)品目前約為3美元,。隨著產(chǎn)量增加,，這一價(jià)格會(huì)不斷下滑。

    ZigBee并不是家庭控制網(wǎng)絡(luò)的惟一選擇,，但諸多替代方案在某個(gè)方面遠(yuǎn)不如它,。X10也許是最常使用的替代方案，但它主要作為基于有線的一項(xiàng)技術(shù),，無(wú)線功能有限,，用于識(shí)別每個(gè)對(duì)象的可分配的地址數(shù)量也很少——這一缺點(diǎn)通常把X10網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模限制在16個(gè)設(shè)備。

    還有藍(lán)牙,，這項(xiàng)越來(lái)越流行的短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)經(jīng)改造后可以在典型的居民環(huán)境支持上百個(gè)設(shè)備,，至少?gòu)睦碚撋蟻?lái)說是這樣。遺憾的是,，它根本無(wú)法支持由電池供電的小設(shè)備長(zhǎng)年使用,，所以使用藍(lán)牙用于家庭控制所需的改動(dòng)其實(shí)相當(dāng)于設(shè)計(jì)一項(xiàng)全新的無(wú)線電技術(shù)。

    藍(lán)牙還存在與X10同樣的缺點(diǎn): 地址空間有限——實(shí)際上,，可用于家庭控制的各種現(xiàn)有無(wú)線技術(shù)都有這個(gè)局限性,。所以在藍(lán)牙家庭網(wǎng)絡(luò)上，設(shè)備只好不斷地退出網(wǎng)絡(luò),、重新加入,，從而導(dǎo)致打開電燈開關(guān)與電燈發(fā)亮之間有幾秒鐘延遲。

    第一批ZigBee產(chǎn)品預(yù)計(jì)會(huì)在明年出現(xiàn)在電子產(chǎn)品商店和家居裝修中心,。據(jù)估計(jì),，即撕即貼的電燈開關(guān)用于控制開關(guān)裝置的售價(jià)大約20美元，用于可粘貼控制開關(guān)裝置的售價(jià)大約15美元,。眼下,，這比基于X10技術(shù)的同類裝置要便宜5美元左右——便宜了不少,，但相差幅度還不是很大。

    不過,，由于規(guī)模經(jīng)濟(jì)及諸多廠商之間的競(jìng)爭(zhēng),，這些價(jià)格會(huì)很快降下來(lái)。而ZigBee裝置的功能會(huì)比替代裝置多得多,。譬如說，能注意到有人走進(jìn)房間的運(yùn)動(dòng)傳感器可以啟動(dòng)空調(diào),，打開電燈,，不管這兩個(gè)設(shè)備是由哪兩家廠商生產(chǎn)的。同樣,，煙霧探測(cè)器能夠打開電燈,，關(guān)閉空氣處理機(jī)組，從而增加從著火大樓逃生的機(jī)率,。直到現(xiàn)在,，這類集成的家庭控制系統(tǒng)不是很難實(shí)現(xiàn)，就是成本高昂,，要么就是兼而有之,。

    ZigBee技術(shù)會(huì)改變像家庭安全市場(chǎng)這些市場(chǎng)嗎？直到現(xiàn)在,，家庭安全市場(chǎng)還是依靠專有,、獨(dú)立的系統(tǒng)。專業(yè)安全人士很快就能夠選擇亞薩合萊的鎖閂,、西門子的報(bào)警器或者霍尼韋爾的控制器嗎,？這很難說，但ZigBee至少讓這完全成為可能,。

    雖然我們主要討論了ZigBee在家庭的應(yīng)用,，但這項(xiàng)技術(shù)設(shè)計(jì)具備商業(yè)和行業(yè)用戶同樣所需的穩(wěn)健性。這類用戶可能會(huì)發(fā)現(xiàn),，只要通過更準(zhǔn)確地控制暖通空調(diào)系統(tǒng)來(lái)降低能源成本,，ZigBee可以收到明顯的投資回報(bào)，這比安裝新的有線網(wǎng)絡(luò)的成本低得多,。

圖3 通過ZigBee控制玩具汽車

    不過,，商業(yè)和行業(yè)客戶需要一段時(shí)間才會(huì)采用ZigBee系統(tǒng)。因?yàn)槠髽I(yè)網(wǎng)絡(luò)會(huì)有成千上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn),，它們的系統(tǒng)將由專業(yè)人員來(lái)規(guī)劃,、安裝及維護(hù)，就像計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)由專業(yè)的信息技術(shù)人員來(lái)安裝及運(yùn)行,。所以,，ZigBee可能會(huì)先進(jìn)入家庭,，普通的房主、鎖匠或者管道工都能安裝其產(chǎn)品,。

    最終,，你在外出時(shí)，家里的ZigBee網(wǎng)絡(luò)能與你通話: 通過連接到你家的互聯(lián)網(wǎng)線路,，或者通過向你的手機(jī)發(fā)送短消息,。如果你在外出時(shí)冷空氣襲來(lái)，爬行空隙里面具有ZigBee功能的水管傳感器可以把情況告訴你; 你有可能把鑰匙留給了隔壁鄰居,，到時(shí)就可以打電話過去,，讓鄰居把你家的溫度調(diào)高一檔，免得家里的管道凍壞,。手機(jī)本身也將內(nèi)置有ZigBee技術(shù),，這樣你人在家里時(shí)或者走到外面院子時(shí)，可以直接與你家聯(lián)系,，使用手機(jī)作為靈活,、功能強(qiáng)大的遙控器。

    具有ZigBee功能的家庭將減少取暖和空調(diào)費(fèi)用,，同時(shí)會(huì)變得更安全,、更舒適，而這絕非小事,。