ZigBee技术在家庭认知传感网中的应用

摘要：为实现低速率、低能耗、高可靠性的家庭认知传感网，对ZigBee技术的优缺点进行了分析，同时结合基于广电网络的智能家居体系架构建设，探讨了以数字机顶盒作为家庭网关及ZigBee网络协调器的可行性。分析结果表明，ZigBee技术完全能够满足家庭认知传感网中控制信令及感应数据的接收和发送需求，具有较高的可靠性和可用性。
关键词：认知传感网；ZigBee；机顶盒；网关

0 引言
工信部《物联网“十二五”发展规划》中明确提出将“智能家居”作为重点领域应用示范工程之一，通过示范应用牵引产业发展。目前，智能家居正朝着具备本地及远程控制、良好的人机互动体验、低成本低功耗等方向发展，其关键技术为兼容性强的家庭控制终端和满足信息传输需要的家庭无线网路。
各大运营商已经开始了智能能家居终端市场的开拓。其中，广电网络运营商充分利用终端100％入户的优势，将数字机顶盒打造为新型家庭智能网关。各类感知终端(比如温湿度传感器、体征传感器等)采集相关数据后，通过家庭认知传感网传输至家庭网关，家庭网关与后端服务平台对接实现数据的整理、分析和挖掘，完成生活照料、体征监测、远程辅助诊疗及异常报警等各项业务。
所谓家庭认知传感网，简单来说即是家庭无线网络。目前，应用于智能家居的无线组网技术主要包括：433、蓝牙、Wi-Fi和ZigBee技术等。考虑到智能家居设备之间通信的特殊性，家庭认知传感网应该具备以下特征，即低速、低功耗、低价、高可靠、自配置。前期作者充分比较了上述几种无线组网技术的优缺点，认为ZigBee技术在当前家庭认知传感网的构建中占据一定优势。

1 ZigBee网络
IEEE802．15.4中提出了“个人操作空间(Personal Operating Space，POS)”的概念，即个人周围的一个空间，典型距离是10m左右。 ZigBee的协议栈即遵循IEEE802．15．4的2003版本，目标是提供设备控制信道，而不像USB技术是以高速率数据流信道为目的。另外，和蓝牙或802．11x无线局域网相比，ZigBee协议更为简单实用。
ZigBee技术运用于家庭认知传感网有下述优点：
(1)通信范围广
不使用功率放大器的前提下，ZigBee的通信范围可达10～75m，完全能够满足普通住宅室内要求。ZigBee有16个信道，并且在低信噪比环境中ZigBee具有很强的抗干扰能力(如果要求误码率为10-9，ZigBee信噪比只需4，而相对应的蓝牙为16，Wi-Fi为10)。
(2)低功耗
ZigBee为实现超低功率损耗，已经采取了减少包括报头在内的传输数据量、减少收发机的任务周期、缩减工作范围等措施，其功率一般只相当于蓝牙的1％。两节五号电池可使用长达六个月到两年左右的时间，减少更换次数，方便用户。相同条件下，蓝牙仅能维持数周蓝牙4．0以低功耗为显著特点，本文中所知蓝牙技术为4．0之前版本)，而Wi-Fi仅能维持数小时。这一点限制了后两种技术在智能家居上的应用。
(3)低成本
在2．4 GHz ISM频段免协议专利费，协议简单且所需存储空间小，故可降低成本。目前，ZigBee的节点成本约50美分，而蓝牙约5美元，Wi-Fi约20美元。
(4)容量大
1个主节点可以管理254个子节点，能够满足家庭智能家居传感器使用，且节点进入网络只需30 ms，具有较高的可扩展性。
(5)可靠性高
尽管ZigBee网络与Wi-Fi、蓝牙等竞争接入2．4 GHzISM频段，但是由于一般ZigBee设备的任务周期非常短，对于潜在的干扰具有良好的鲁棒性。通过碰撞避免、专用时隙、完全确认的数据传输机制，保证了ZigBee在数据传输上的高可靠性。同时，低任务周期和低数据容量意味着ZigBee设备不太可能产生严重的干扰叠加到Wi-Fi或蓝牙网络上。ZigBee2007中将频率捷变自动化，能够根据通信环境的变化及时更改信道，使得通信能够更好地进行。
(6)有灵活的自组网功能
ZigBee网络通过特殊的网络加入和退出模式，由PAN协调器统一管理各个了节点，拥有较强的网络自组织自愈能力。
综上所述，与Wi-Fi及蓝牙等组网技术相比较，ZigBee更适用于家庭认知传感网的建设。

2 基于ZigBee技术的家庭认知传感网
2．1 家庭网关
家庭网关作为连接家庭认知传感网和外部网络的中间设备，不同的人或不同的厂商对其有着不同的定义。家庭网关组织RG将其定义为： 一种简单的、智能的、标准化的、灵活的整个家庭网络接口单元，它可以从不同的外部网络接收通讯信号，通过家庭网络传递信号给某个设备。笔者认为，作为智能家居的核心，家庭网关的功能应该有三个层次。首先是数据网关，实现家庭数据采集、汇聚及上传等功能；其次是家庭控制网关，实现远程化的控制与页面浏览；第三是多媒体网关，作为家庭的多媒体娱乐中心，实现音频和视频信息的传输与处理。目前国内市场上的网关，大多已经实现了第一层次的功能，部分逐步向第二层次靠近，能实现第三层次的网关寥寥无几。之前的学者已经进行过许多研究，如利用32位RISC微处理器和ZigBee技术构建嵌入式家庭网关，但是也只是局限于第一第二层次。如果将数字机顶盒打造为智能家庭网关，利用其先天的音视频传输优势，必将实现上述三层次功能的强势整合。
充分利用现有数字机顶盒的上传通道，以数字机顶盒为家庭网关推广智能家居是广电网络运营商的不二选择。在新型数字机顶盒中预先植入ZigBee、Wi-Fi等模块，图1所示是一个家庭网关系统的基本架构，该系统可以充分利用各自的模块优势，在未来的智能家居市场竞争中站稳脚跟。