聶　佳,　胡寬立,　劉傳忠

(上海電器科學(xué)研究院, 上?！?00063)

智能家居中的ZGP技術(shù)應(yīng)用研究

聶佳,胡寬立,劉傳忠

(上海電器科學(xué)研究院, 上海200063)

摘要：ZigBee 3.0規(guī)范是為適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展推出的開放性全球標(biāo)準(zhǔn),旨在為用戶提供綠色節(jié)能、配置簡(jiǎn)單、操作便捷的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)。具有超低功耗的ZGP(ZigBee Green Power)技術(shù)是ZigBee 3.0的重要組成部分。概述了ZGP技術(shù),結(jié)合智能照明系統(tǒng)實(shí)例,詳細(xì)分析了ZGP技術(shù)在智能家居實(shí)際應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方案。提出ZGP技術(shù)能有效降低智能照明系統(tǒng)的安裝及維護(hù)成本,滿足物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用的需求。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng); 智能家居; ZigBee 3.0; ZigBee Green Power技術(shù)

0引言

作為連接智慧城市與家庭單元的橋梁,智能家居系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈的方式對(duì)居民的生活帶來深遠(yuǎn)的影響。涵蓋智能照明、智能家電、能源管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安防監(jiān)控、家庭醫(yī)療等智能設(shè)備,必須由安全可靠、安裝便捷的通信網(wǎng)絡(luò)將這些種類繁多、位置分散的智能設(shè)備連成系統(tǒng),因此功耗低、容量大、安全性高、可靠性強(qiáng)、擴(kuò)展性好、配置簡(jiǎn)單的通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)家庭信息化、智能化和互動(dòng)化的重要基礎(chǔ)。

1ZigBee規(guī)范

ZigBee 3.0以ZigBee PRO網(wǎng)路層協(xié)議為基礎(chǔ),對(duì)原有的家庭自動(dòng)化、建筑物自動(dòng)化、智能照明、醫(yī)療看護(hù)、零售、智慧能源應(yīng)用規(guī)范的整合升級(jí),為用戶提供綠色節(jié)能、配置簡(jiǎn)單、操作便捷的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò),使得不同應(yīng)用領(lǐng)域的產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)互通。

ZigBee Green Power(ZGP)是ZigBee 3.0規(guī)范的重要組成部分,旨在提供超低功耗的無線通信技術(shù),用以支持能量收集設(shè)備。能量收集設(shè)備是指不使用電池供電也能從環(huán)境中獲取能量的設(shè)備。例如,通過按壓面板開關(guān)獲取短暫能量向電燈傳輸無線報(bào)文來進(jìn)行開/關(guān)控制。ZGP技術(shù)對(duì)于只偶爾存在于網(wǎng)路中的設(shè)備十分有效。ZGP設(shè)備能夠根據(jù)需要安全進(jìn)出網(wǎng)路,在大部分時(shí)間處于關(guān)閉狀態(tài)[1-2]。

ZigBee無線技術(shù)具有低功耗特點(diǎn),每小時(shí)耗電量?jī)H為WiFi的1/106。ZGP技術(shù)節(jié)能效果更強(qiáng)大,耗電量?jī)H為ZigBee技術(shù)的1/100,使得物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈的實(shí)現(xiàn)成為可能。

2ZGP技術(shù)

ZGP技術(shù)有利于在停車場(chǎng)、樓宇、醫(yī)院等地區(qū)大規(guī)模布署傳感器及控制類節(jié)點(diǎn),有效降低系統(tǒng)安裝及維護(hù)成本,滿足物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用的需求[3]。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)之間路徑復(fù)雜、關(guān)系密切,只能短暫存在于網(wǎng)絡(luò)中的能量收集節(jié)點(diǎn),必須有完善的通信機(jī)制來保證節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)特性。ZGP技術(shù)解決了對(duì)于短暫存在于網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)信息傳輸問題。ZGP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖1所示。

圖1　ZGP網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

從圖1可以看出,具有ZGP特性的ZigBee網(wǎng)絡(luò)有三種基礎(chǔ)的特殊設(shè)備類型:Green Power Device(GPD)、Green Power Sink(GPS)、Green Power Proxy(GPP)。此外,為增強(qiáng)GPS節(jié)點(diǎn)與原有ZigBee節(jié)點(diǎn)的兼容性,GPS節(jié)點(diǎn)劃分為Green Power Target(GPT)、Green Power Target Plus(GPT+)、GP Combo(GPC)、GP Combo Minimum(GPCm)等不同應(yīng)用類型。把具有Green Power特性并兼容ZigBee Pro協(xié)議的節(jié)點(diǎn)統(tǒng)稱為GP 通用設(shè)備,包括GPS 和GPP 設(shè)備類型。GP 通用設(shè)備類型如表1所示。

表1GP通用設(shè)備類型

設(shè)備類型設(shè)備IDGPProxy0x0060GPProxyMinimum0x0061GPTargetPlus0x0062GPTarget0x0063GPCommissioningTool0x0064GPCombo0x0065GPComboMinimum0x0066

GPS是指能夠接收GPD指令的ZGP目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(見圖1中燈),該節(jié)點(diǎn)可接收GP報(bào)文,并且完全兼容ZigBee PRO協(xié)議。GPP是指能夠傳輸ZGP報(bào)文的GPD與GPS之間的代理節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)可轉(zhuǎn)發(fā)GP報(bào)文,并且完全兼容ZigBee PRO協(xié)議,作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由節(jié)點(diǎn)。

GPD設(shè)備是指具有ZGP功能的能量收集自供電設(shè)備節(jié)點(diǎn)(見圖1中開關(guān)),該節(jié)點(diǎn)采用ZGP規(guī)范的應(yīng)用層和底層協(xié)議棧,用于構(gòu)建GP報(bào)文。三類節(jié)點(diǎn)的協(xié)議架構(gòu)對(duì)比如圖2所示。

圖2　三類節(jié)點(diǎn)的協(xié)議架構(gòu)對(duì)比

GPD節(jié)點(diǎn)協(xié)議結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,Green Power報(bào)文長(zhǎng)度僅為21 Byte,每次傳輸時(shí)間約為15 ms,每次傳輸?shù)墓淖畲髢H為200 μJ,確保無線無源設(shè)備信息傳輸。

3Green Power應(yīng)用實(shí)例

基于ZGP技術(shù)的智能控制系統(tǒng)如圖3所示。

3.1設(shè)備描述

ZigBee設(shè)備由一系列具有特定功能的服務(wù)端點(diǎn)組成,類似于TCP/IP中端口;每個(gè)服務(wù)端點(diǎn)又是由ZigBee 簇庫(kù)中定義的一系列簇。ZGP規(guī)范對(duì)其設(shè)備的端點(diǎn)及簇進(jìn)行了詳細(xì)定義,ZGP端點(diǎn)(GPEP)ID規(guī)定為0xF2,簇ID規(guī)定為0x0021。

圖3　基于ZGP技術(shù)的智能控制系統(tǒng)

燈與開關(guān)設(shè)備定義及關(guān)系描述如下:

(1) 開關(guān)1實(shí)現(xiàn)對(duì)燈1的開關(guān)控制,采用微動(dòng)能自發(fā)電裝置作為GPD節(jié)點(diǎn),通過GPEP發(fā)送GP報(bào)文。GP報(bào)文結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,以廣播形式發(fā)送。

(2) 燈1通過GPEP接收開關(guān)1的控制指令,因此燈1作為開關(guān)1配對(duì)的GPS節(jié)點(diǎn),在Sink表中存儲(chǔ)“開關(guān)1控制燈1的EP2”的條目;

在Transition表中存儲(chǔ)GP報(bào)文 On/Off指令對(duì)應(yīng)的HA規(guī)范中相應(yīng)指令。本文GP報(bào)文 On/Off指令對(duì)應(yīng)的Command ID號(hào)為0x21/0x20;HA規(guī)范對(duì)應(yīng)的On/Off指令為ZCL中On/Off簇,對(duì)應(yīng)的Command ID號(hào)為0x00/0x01。

(3) 燈2作為GPP節(jié)點(diǎn)進(jìn)行Green Power報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā),可以作為GPS設(shè)備。因此,燈2設(shè)備作為GP的擴(kuò)展設(shè)備類型GPC節(jié)點(diǎn)。燈2將開關(guān)1發(fā)送的21 Byte的GP報(bào)文轉(zhuǎn)換為ZigBee報(bào)文發(fā)送給燈1。

3.2系統(tǒng)配置

燈1、燈2節(jié)點(diǎn)完全兼容ZigBee PRO協(xié)議,因此按照ZigBee網(wǎng)絡(luò)常規(guī)方式加入網(wǎng)絡(luò)。GPD節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)配置示意如圖4所示。

圖4　GPD節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)配置示意

從圖4可以看出,GPD節(jié)點(diǎn)無需一直存在于網(wǎng)絡(luò)中,只需在初始配置或發(fā)送命令時(shí)與GPS或GPP節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的信息交互。如果開關(guān)1需要對(duì)燈1進(jìn)行控制,只需通過簡(jiǎn)單的配對(duì)過程初始化。配置過程如下:

(1) 燈1通過按鍵或其他方式來觸發(fā)配對(duì)指令,進(jìn)入配對(duì)過程。

(2) 在配對(duì)時(shí)間段內(nèi),開關(guān)1通過按鍵或其他方式觸發(fā)配置請(qǐng)求。

(3) 燈1 發(fā)送允許配置響應(yīng)。

(4) 開關(guān)1發(fā)送配對(duì)成功指令。

(5) 燈1發(fā)送配對(duì)成功廣播,退出配對(duì)過程。

燈2節(jié)點(diǎn)充當(dāng)GPP節(jié)點(diǎn)完成報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)功能,因此以上配置過程只描述了開關(guān)1和燈1的信息交互過程,如果需要實(shí)現(xiàn)多個(gè)開關(guān)對(duì)燈1的控制,只需重復(fù)以上步驟。

3.3安全機(jī)制

ZGP協(xié)議支持ZigBee PRO協(xié)議中規(guī)定的三種安全等級(jí),可根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的安全等級(jí)。ZGP協(xié)議安全等級(jí)如表2所示。

表2ZGP協(xié)議安全等級(jí)

安全等級(jí)特性基本 使用32位設(shè)備唯一標(biāo)識(shí)符及滾動(dòng)型報(bào)文計(jì)數(shù)器,過濾網(wǎng)絡(luò)中不需要的報(bào)文中級(jí) 增加基于AES-128的認(rèn)證機(jī)制和一個(gè)共享密鑰,防止節(jié)點(diǎn)間信息交互被篡改高級(jí) 增加基于AES-128的加密機(jī)制,防止節(jié)點(diǎn)間信息交互被竊聽,保證數(shù)據(jù)傳遞過程的機(jī)密性

ZGP協(xié)議包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)密鑰、GPD組密鑰、ZigBee網(wǎng)絡(luò)衍生組密鑰、out-of-the-box密鑰、衍生獨(dú)立密鑰五類安全密鑰。ZGP節(jié)點(diǎn)通過out-of-band方式或ZigBee網(wǎng)絡(luò)over-the-air方式傳遞密鑰。

(1) ZigBee網(wǎng)絡(luò)密鑰用于保護(hù)GPD節(jié)點(diǎn)通信,GPS和GPP節(jié)點(diǎn)均可獲得網(wǎng)絡(luò)密鑰,并可在已安全認(rèn)證的GPD節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行傳遞。

(2) GPD組密鑰共享于GPD節(jié)點(diǎn)與GP通用設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間,該密鑰配置在所有的GP通用設(shè)備及已安全認(rèn)證的GPD節(jié)點(diǎn)中。

(3) ZigBee網(wǎng)絡(luò)衍生組密鑰共享于GPD節(jié)點(diǎn)與GP通用設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間。GPS和GPP節(jié)點(diǎn)可獲得網(wǎng)絡(luò)密鑰,但只有ZigBee網(wǎng)絡(luò)衍生的組密鑰可在已安全認(rèn)證的GPD節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行傳遞。

(4) out-of-the-box密鑰屬于預(yù)配置密鑰,需要通過標(biāo)簽或其他方式在所有的GP通用設(shè)備中預(yù)先配置。

(5) 衍生獨(dú)立密鑰用于特定的GP網(wǎng)絡(luò)中,在該網(wǎng)絡(luò)中只有獨(dú)立密鑰能在GPD節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行傳遞。

4結(jié)語

促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用是十三五規(guī)劃中創(chuàng)新工作的重要舉措。ZGP技術(shù)具有超低功耗的特點(diǎn),能廣泛應(yīng)用于各類無線無源智能設(shè)備。本文分析了ZGP無線技術(shù)在智能照明系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)原理和應(yīng)用要點(diǎn),希望借鑒ZGP技術(shù)的先進(jìn)設(shè)計(jì)思路和理念,推出符合我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展特點(diǎn)的超低功耗無線技術(shù),為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

[1]張小環(huán),王猛,郝凱學(xué),等.低成本無源無線發(fā)射和接收開關(guān)研制[J].試驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(3):110-112.

[2]康昊,譚秋林,秦麗,等.無線無源壓力傳感器信號(hào)傳輸?shù)难芯縖J].科學(xué)技術(shù)與工程,2013,13(23):6711-6713.

[3]錢志鴻,王義君.面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J].電子與信息學(xué)報(bào),2013(1):215-227.

Application of ZigBee Green Power in Smart Home

NIE Jia,XUE Ji,JU Changjiang

(Shanghai Electrical Apparatus Research Institute, Shanghai 200063, China)

Abstract：ZigBee 3.0 is the global wireless standards for adapting to the rapid development of Internet of Things(LOT),in order to provide user with green energy saving,simple configuration,convenient operation system.ZigBee green power(ZGP) technology is an important part of ZigBee 3.0.This paper summarized the ZGP technology.Combining by an intelligent lighting system of smart home as example,the key technologies and implementation schemes of ZGP were analyzed in detail.It is pointed out that the ZGP technology can effitively reduce the installation and maintenance costs of intelligent lighting system in order to meet the requirements of LOT large-scale application.

Key words:Internet of Things; smart home; ZigBee 3.0; ZigBee Green Power technology

中圖分類號(hào)：TU 855

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-8417(2016)05-0005-04

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.05.002

收稿日期：2015-04-28

胡寬立(1984—),男,工程師,從事智能家居控制集成技術(shù)工作。

劉偉忠(1983—),男,工程師,從事工業(yè)自動(dòng)化、智能家居控制軟件設(shè)計(jì)及集成技術(shù)工作。