智能家居中的ZGP技术应用研究

聂　佳,　胡宽立,　刘传忠

(上海电器科学研究院, 上海　200063)

智能家居中的ZGP技术应用研究

聂佳,胡宽立,刘传忠

(上海电器科学研究院, 上海200063)

摘要：ZigBee 3.0规范是为适应物联网的快速发展推出的开放性全球标准,旨在为用户提供绿色节能、配置简单、操作便捷的物联网基础网络。具有超低功耗的ZGP(ZigBee Green Power)技术是ZigBee 3.0的重要组成部分。概述了ZGP技术,结合智能照明系统实例,详细分析了ZGP技术在智能家居实际应用中的关键技术及实现方案。提出ZGP技术能有效降低智能照明系统的安装及维护成本,满足物联网大规模应用的需求。

关键词：物联网; 智能家居; ZigBee 3.0; ZigBee Green Power技术

0引言

作为连接智慧城市与家庭单元的桥梁,智能家居系统以物联网生态圈的方式对居民的生活带来深远的影响。涵盖智能照明、智能家电、能源管理、环境监测、安防监控、家庭医疗等智能设备,必须由安全可靠、安装便捷的通信网络将这些种类繁多、位置分散的智能设备连成系统,因此功耗低、容量大、安全性高、可靠性强、扩展性好、配置简单的通信网络是实现家庭信息化、智能化和互动化的重要基础。

1ZigBee规范

ZigBee 3.0以ZigBee PRO网路层协议为基础,对原有的家庭自动化、建筑物自动化、智能照明、医疗看护、零售、智慧能源应用规范的整合升级,为用户提供绿色节能、配置简单、操作便捷的物联网基础网络,使得不同应用领域的产品能够实现互联互通。

ZigBee Green Power(ZGP)是ZigBee 3.0规范的重要组成部分,旨在提供超低功耗的无线通信技术,用以支持能量收集设备。能量收集设备是指不使用电池供电也能从环境中获取能量的设备。例如,通过按压面板开关获取短暂能量向电灯传输无线报文来进行开/关控制。ZGP技术对于只偶尔存在于网路中的设备十分有效。ZGP设备能够根据需要安全进出网路,在大部分时间处于关闭状态[1-2]。

ZigBee无线技术具有低功耗特点,每小时耗电量仅为WiFi的1/106。ZGP技术节能效果更强大,耗电量仅为ZigBee技术的1/100,使得物联网生态圈的实现成为可能。

2ZGP技术

ZGP技术有利于在停车场、楼宇、医院等地区大规模布署传感器及控制类节点,有效降低系统安装及维护成本,满足物联网大规模应用的需求[3]。

ZigBee网络采用网状拓扑结构,节点之间路径复杂、关系密切,只能短暂存在于网络中的能量收集节点,必须有完善的通信机制来保证节点网络特性。ZGP技术解决了对于短暂存在于网络中的节点信息传输问题。ZGP网络构架如图1所示。

图1　ZGP网络构架

从图1可以看出,具有ZGP特性的ZigBee网络有三种基础的特殊设备类型:Green Power Device(GPD)、Green Power Sink(GPS)、Green Power Proxy(GPP)。此外,为增强GPS节点与原有ZigBee节点的兼容性,GPS节点划分为Green Power Target(GPT)、Green Power Target Plus(GPT+)、GP Combo(GPC)、GP Combo Minimum(GPCm)等不同应用类型。把具有Green Power特性并兼容ZigBee Pro协议的节点统称为GP 通用设备,包括GPS 和GPP 设备类型。GP 通用设备类型如表1所示。

表1GP通用设备类型

设备类型设备IDGPProxy0x0060GPProxyMinimum0x0061GPTargetPlus0x0062GPTarget0x0063GPCommissioningTool0x0064GPCombo0x0065GPComboMinimum0x0066

GPS是指能够接收GPD指令的ZGP目标节点(见图1中灯),该节点可接收GP报文,并且完全兼容ZigBee PRO协议。GPP是指能够传输ZGP报文的GPD与GPS之间的代理节点,该节点可转发GP报文,并且完全兼容ZigBee PRO协议,作为ZigBee网络中的路由节点。

GPD设备是指具有ZGP功能的能量收集自供电设备节点(见图1中开关),该节点采用ZGP规范的应用层和底层协议栈,用于构建GP报文。三类节点的协议架构对比如图2所示。

图2　三类节点的协议架构对比

GPD节点协议结构简单,Green Power报文长度仅为21 Byte,每次传输时间约为15 ms,每次传输的功耗最大仅为200 μJ,确保无线无源设备信息传输。

3Green Power应用实例

基于ZGP技术的智能控制系统如图3所示。

3.1设备描述

ZigBee设备由一系列具有特定功能的服务端点组成,类似于TCP/IP中端口;每个服务端点又是由ZigBee 簇库中定义的一系列簇。ZGP规范对其设备的端点及簇进行了详细定义,ZGP端点(GPEP)ID规定为0xF2,簇ID规定为0x0021。

图3　基于ZGP技术的智能控制系统

灯与开关设备定义及关系描述如下:

(1) 开关1实现对灯1的开关控制,采用微动能自发电装置作为GPD节点,通过GPEP发送GP报文。GP报文结构简单,以广播形式发送。

(2) 灯1通过GPEP接收开关1的控制指令,因此灯1作为开关1配对的GPS节点,在Sink表中存储“开关1控制灯1的EP2”的条目;

在Transition表中存储GP报文 On/Off指令对应的HA规范中相应指令。本文GP报文 On/Off指令对应的Command ID号为0x21/0x20;HA规范对应的On/Off指令为ZCL中On/Off簇,对应的Command ID号为0x00/0x01。

(3) 灯2作为GPP节点进行Green Power报文转发,可以作为GPS设备。因此,灯2设备作为GP的扩展设备类型GPC节点。灯2将开关1发送的21 Byte的GP报文转换为ZigBee报文发送给灯1。

3.2系统配置

灯1、灯2节点完全兼容ZigBee PRO协议,因此按照ZigBee网络常规方式加入网络。GPD节点网络配置示意如图4所示。

图4　GPD节点网络配置示意

从图4可以看出,GPD节点无需一直存在于网络中,只需在初始配置或发送命令时与GPS或GPP节点进行实时的信息交互。如果开关1需要对灯1进行控制,只需通过简单的配对过程初始化。配置过程如下:

(1) 灯1通过按键或其他方式来触发配对指令,进入配对过程。

(2) 在配对时间段内,开关1通过按键或其他方式触发配置请求。

(3) 灯1 发送允许配置响应。

(4) 开关1发送配对成功指令。

(5) 灯1发送配对成功广播,退出配对过程。

灯2节点充当GPP节点完成报文转发功能,因此以上配置过程只描述了开关1和灯1的信息交互过程,如果需要实现多个开关对灯1的控制,只需重复以上步骤。

3.3安全机制

ZGP协议支持ZigBee PRO协议中规定的三种安全等级,可根据具体应用场合选择合适的安全等级。ZGP协议安全等级如表2所示。

表2ZGP协议安全等级

安全等级特性基本 使用32位设备唯一标识符及滚动型报文计数器,过滤网络中不需要的报文中级 增加基于AES-128的认证机制和一个共享密钥,防止节点间信息交互被篡改高级 增加基于AES-128的加密机制,防止节点间信息交互被窃听,保证数据传递过程的机密性

ZGP协议包括ZigBee网络密钥、GPD组密钥、ZigBee网络衍生组密钥、out-of-the-box密钥、衍生独立密钥五类安全密钥。ZGP节点通过out-of-band方式或ZigBee网络over-the-air方式传递密钥。

(1) ZigBee网络密钥用于保护GPD节点通信,GPS和GPP节点均可获得网络密钥,并可在已安全认证的GPD节点中进行传递。

(2) GPD组密钥共享于GPD节点与GP通用设备节点之间,该密钥配置在所有的GP通用设备及已安全认证的GPD节点中。

(3) ZigBee网络衍生组密钥共享于GPD节点与GP通用设备节点之间。GPS和GPP节点可获得网络密钥,但只有ZigBee网络衍生的组密钥可在已安全认证的GPD节点中进行传递。

(4) out-of-the-box密钥属于预配置密钥,需要通过标签或其他方式在所有的GP通用设备中预先配置。

(5) 衍生独立密钥用于特定的GP网络中,在该网络中只有独立密钥能在GPD节点中进行传递。

4结语

促进物联网的广泛应用是十三五规划中创新工作的重要举措。ZGP技术具有超低功耗的特点,能广泛应用于各类无线无源智能设备。本文分析了ZGP无线技术在智能照明系统中的实现原理和应用要点,希望借鉴ZGP技术的先进设计思路和理念,推出符合我国物联网发展特点的超低功耗无线技术,为实现物联网大规模应用奠定基础。

[1]张小环,王猛,郝凯学,等.低成本无源无线发射和接收开关研制[J].试验技术与管理,2015,32(3):110-112.

[2]康昊,谭秋林,秦丽,等.无线无源压力传感器信号传输的研究[J].科学技术与工程,2013,13(23):6711-6713.

[3]钱志鸿,王义君.面向物联网的无线传感器网络综述[J].电子与信息学报,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

中图分类号：TU 855

文献标志码：B

文章编号：1674-8417(2016)05-0005-04

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.05.002

收稿日期：2015-04-28

胡宽立(1984—),男,工程师,从事智能家居控制集成技术工作。

刘伟忠(1983—),男,工程师,从事工业自动化、智能家居控制软件设计及集成技术工作。