ZigBee技術(shù)的優(yōu)缺點分析及在家庭認(rèn)知傳感網(wǎng)中的應(yīng)用介紹

引言

工信部《物聯(lián)網(wǎng)"十二五"發(fā)展規(guī)劃》中明確提出將"智能家居"作為重點領(lǐng)域應(yīng)用示范工程之一，通過示范應(yīng)用牽引產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前，智能家居正朝著具備本地及遠(yuǎn)程控制、良好的人機(jī)互動體驗、低成本低功耗等方向發(fā)展，其關(guān)鍵技術(shù)為兼容性強(qiáng)的家庭控制終端和滿足信息傳輸需要的家庭無線網(wǎng)路。

各大運營商已經(jīng)開始了智能能家居終端市場的開拓。其中，廣電網(wǎng)絡(luò)運營商充分利用終端100%入戶的優(yōu)勢，將數(shù)字機(jī)頂盒打造為新型家庭智能網(wǎng)關(guān)。各類感知終端（比如溫濕度傳感器、體征傳感器等）采集相關(guān)數(shù)據(jù)后，通過家庭認(rèn)知傳感網(wǎng)傳輸至家庭網(wǎng)關(guān)，家庭網(wǎng)關(guān)與后端服務(wù)平臺對接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整理、分析和挖掘，完成生活照料、體征監(jiān)測、遠(yuǎn)程輔助診療及異常報警等各項業(yè)務(wù)。

所謂家庭認(rèn)知傳感網(wǎng)，簡單來說即是家庭無線網(wǎng)絡(luò)。目前，應(yīng)用于智能家居的無線組網(wǎng)技術(shù)主要包括：433、藍(lán)牙、Wi-Fi和ZigBee技術(shù)等?？紤]到智能家居設(shè)備之間通信的特殊性，家庭認(rèn)知傳感網(wǎng)應(yīng)該具備以下特征，即低速、低功耗、低價、高可靠、自配置。前期作者充分比較了上述幾種無線組網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)缺點，認(rèn)為ZigBee技術(shù)在當(dāng)前家庭認(rèn)知傳感網(wǎng)的構(gòu)建中占據(jù)一定優(yōu)勢。

1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)

IEEE802.15.4中提出了"個人操作空間（Personal Operating Space,POS）"的概念，即個人周圍的一個空間，典型距離是10m左右。 ZigBee的協(xié)議棧即遵循IEEE802.15.4的2003版本，目標(biāo)是提供設(shè)備控制信道，而不像USB技術(shù)是以高速率數(shù)據(jù)流信道為目的。另外，和藍(lán)牙或802.11x無線局域網(wǎng)相比，ZigBee協(xié)議更為簡單實用。

ZigBee技術(shù)運用于家庭認(rèn)知傳感網(wǎng)有下述優(yōu)點：

（1）通信范圍廣

不使用功率放大器的前提下，ZigBee的通信范圍可達(dá)10~75m,完全能夠滿足普通住宅室內(nèi)要求。ZigBee有16個信道，并且在低信噪比環(huán)境中ZigBee具有很強(qiáng)的抗干擾能力（如果要求誤碼率為10-9,ZigBee信噪比只需4,而相對應(yīng)的藍(lán)牙為16,Wi-Fi為10）。

（2）低功耗

ZigBee為實現(xiàn)超低功率損耗，已經(jīng)采取了減少包括報頭在內(nèi)的傳輸數(shù)據(jù)量、減少收發(fā)機(jī)的任務(wù)周期、縮減工作范圍等措施，其功率一般只相當(dāng)于藍(lán)牙的1%.兩節(jié)五號電池可使用長達(dá)六個月到兩年左右的時間，減少更換次數(shù)，方便用戶。相同條件下，藍(lán)牙僅能維持?jǐn)?shù)周藍(lán)牙4.0以低功耗為顯著特點，本文中所知藍(lán)牙技術(shù)為4.0之前版本），而Wi-Fi僅能維持?jǐn)?shù)小時。這一點限制了后兩種技術(shù)在智能家居上的應(yīng)用。

（3）低成本

在2.4 GHz ISM頻段免協(xié)議專利費，協(xié)議簡單且所需存儲空間小，故可降低成本。目前，ZigBee的節(jié)點成本約50美分，而藍(lán)牙約5美元，Wi-Fi約20美元。

（4）容量大

1個主節(jié)點可以管理254個子節(jié)點，能夠滿足家庭智能家居傳感器使用，且節(jié)點進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms,具有較高的可擴(kuò)展性。

（5）可靠性高

盡管ZigBee網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi、藍(lán)牙等競爭接入2.4 GHzISM頻段，但是由于一般ZigBee設(shè)備的任務(wù)周期非常短，對于潛在的干擾具有良好的魯棒性。通過碰撞避免、專用時隙、完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，保證了ZigBee在數(shù)據(jù)傳輸上的高可靠性。同時，低任務(wù)周期和低數(shù)據(jù)容量意味著ZigBee設(shè)備不太可能產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾疊加到Wi-Fi或藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)上。ZigBee2007中將頻率捷變自動化，能夠根據(jù)通信環(huán)境的變化及時更改信道，使得通信能夠更好地進(jìn)行。

（6）有靈活的自組網(wǎng)功能

ZigBee網(wǎng)絡(luò)通過特殊的網(wǎng)絡(luò)加入和退出模式，由PAN協(xié)調(diào)器統(tǒng)一管理各個了節(jié)點，擁有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)自組織自愈能力。

綜上所述，與Wi-Fi及藍(lán)牙等組網(wǎng)技術(shù)相比較，ZigBee更適用于家庭認(rèn)知傳感網(wǎng)的建設(shè)。

2 基于ZigBee技術(shù)的家庭認(rèn)知傳感網(wǎng)

2.1 家庭網(wǎng)關(guān)

家庭網(wǎng)關(guān)作為連接家庭認(rèn)知傳感網(wǎng)和外部網(wǎng)絡(luò)的中間設(shè)備，不同的人或不同的廠商對其有著不同的定義。家庭網(wǎng)關(guān)組織RG將其定義為： 一種簡單的、智能的、標(biāo)準(zhǔn)化的、靈活的整個家庭網(wǎng)絡(luò)接口單元，它可以從不同的外部網(wǎng)絡(luò)接收通訊信號，通過家庭網(wǎng)絡(luò)傳遞信號給某個設(shè)備。筆者認(rèn)為，作為智能家居的核心，家庭網(wǎng)關(guān)的功能應(yīng)該有三個層次。首先是數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)家庭數(shù)據(jù)采集、匯聚及上傳等功能；其次是家庭控制網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程化的控制與頁面瀏覽；第三是多媒體網(wǎng)關(guān)，作為家庭的多媒體娛樂中心，實現(xiàn)音頻和視頻信息的傳輸與處理。目前國內(nèi)市場上的網(wǎng)關(guān)，大多已經(jīng)實現(xiàn)了第一層次的功能，部分逐步向第二層次靠近，能實現(xiàn)第三層次的網(wǎng)關(guān)寥寥無幾。之前的學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行過許多研究，如利用32位RISC微處理器和ZigBee技術(shù)構(gòu)建嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)，但是也只是局限于第一第二層次。如果將數(shù)字機(jī)頂盒打造為智能家庭網(wǎng)關(guān)，利用其先天的音視頻傳輸優(yōu)勢，必將實現(xiàn)上述三層次功能的強(qiáng)勢整合。

充分利用現(xiàn)有數(shù)字機(jī)頂盒的上傳通道，以數(shù)字機(jī)頂盒為家庭網(wǎng)關(guān)推廣智能家居是廣電網(wǎng)絡(luò)運營商的不二選擇。在新型數(shù)字機(jī)頂盒中預(yù)先植入ZigBee、Wi-Fi等模塊，圖1所示是一個家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的基本架構(gòu)，該系統(tǒng)可以充分利用各自的模塊優(yōu)勢，在未來的智能家居市場競爭中站穩(wěn)腳跟。

圖1 家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的基本架構(gòu)

從形態(tài)上來說，基于廣電網(wǎng)絡(luò)的家庭智能網(wǎng)關(guān)可以采用兩種形式：

第一種是硬網(wǎng)關(guān)形式，家庭網(wǎng)關(guān)作為類似機(jī)頂盒伴侶或家庭智能信息終端等獨立設(shè)備存在。通過提供豐富的有線無線接口（LAN、USB、Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙等），實現(xiàn)與機(jī)頂盒實時通信。

第二種是軟網(wǎng)關(guān)形式，通過將相關(guān)應(yīng)用程序移植到機(jī)頂盒內(nèi)部，實現(xiàn)硬網(wǎng)關(guān)同等功能，控制部分通過如ZigBee、Wi-Fi對等網(wǎng)完成。這種形式下，用戶使用一個數(shù)字機(jī)頂盒就可以實現(xiàn)廣電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的所有應(yīng)用功能。

2.2 組網(wǎng)模式

在基于ZigBee的家庭認(rèn)知傳感網(wǎng)構(gòu)建中，植入ZigBee模塊的機(jī)頂盒作為家庭網(wǎng)關(guān)，同時作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，與網(wǎng)絡(luò)中各子節(jié)點進(jìn)行通訊。其他如植入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊的家用設(shè)備，或者市場上目前已出現(xiàn)的內(nèi)嵌ZigBee模塊設(shè)備作為子節(jié)點，負(fù)責(zé)控制信令或感知數(shù)據(jù)的收發(fā)。

機(jī)頂盒上電后，家庭設(shè)備子節(jié)點將自動加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，工作過程如下：

（1）ZigBee協(xié)調(diào)器（機(jī)頂盒）成功創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，等待終端節(jié)點加入；

（2）終端節(jié)點及傳感器上電后，通過信道掃描、能量檢測等手段，自動查找存在的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，找到后加入網(wǎng)絡(luò)，機(jī)頂盒向子節(jié)點分配短地址及長地址；

（3）機(jī)頂盒MCU保存節(jié)點地址信息；

（4）當(dāng)用戶需要控制某終端節(jié)點時，在電視屏幕或移動終端上進(jìn)行選擇（比如測量室內(nèi)溫度），機(jī)頂盒通過提取溫度傳感器子節(jié)點的相應(yīng)地址，向其節(jié)點發(fā)送指令；

（5）溫度傳感器子節(jié)點收到指令后，對室內(nèi)溫度進(jìn)行測量，并返回給機(jī)頂盒，最終顯示在電視機(jī)屏幕上。

其中，家庭網(wǎng)絡(luò)中不同位置的ZigBee模塊需要設(shè)置不同的運行模式，以執(zhí)行如下的不同功能；

（1）將機(jī)頂盒內(nèi)的ZigBee模塊設(shè)置為接收/發(fā)送模式，用于接收來自其他ZigBee的信息，并將機(jī)頂盒控制信息發(fā)送到其他ZigBee;

（2）將與家用設(shè)備連接的ZigBee置于接收狀態(tài)，當(dāng)接收到控制指令時，控制家電執(zhí)行操作；

（3）將與傳感器連接的ZigBee置于發(fā)送狀態(tài)，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至機(jī)頂盒。

2.3 性能指標(biāo)

不同房間由于墻的阻擋，會影響信號，需要考慮模塊的發(fā)射功率和接收靈敏度。文獻(xiàn)在無障礙和有障礙的情況下分別就ZigBee的丟包率進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，ZigBee節(jié)點如果無障礙傳輸80 m,丟包率<1%;傳輸距離30 m,間隔一堵墻丟包率為0,間隔兩堵墻為1%,間隔三堵墻為35%.按照這個結(jié)論，普通商品房（間隔不會超過兩堵墻）內(nèi)ZigBee的丟包率應(yīng)該沒有問題。但是實際操作中需要針對不同的ZigBee模塊進(jìn)行相關(guān)性能確認(rèn)，這也是我們的后期工作之一。

3 結(jié)語

ZigBee技術(shù)還在不斷完善，它所具有的低功耗、低成本、使用便捷等顯著的技術(shù)優(yōu)勢，使它必將有著廣闊的應(yīng)用前景。ZigBee聯(lián)盟預(yù)言在未來的四到五年內(nèi)，每個家庭將擁有50個ZigBee器件，最后將達(dá)到每個家庭150個。相信存不久的將來，基于ZigBee技術(shù)的廣電網(wǎng)智能家居產(chǎn)品會走進(jìn)全球每家每戶，在提高我們的生活質(zhì)量方面作出突出的貢獻(xiàn)。