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。

    从形态上来说，基于广电网络的家庭智能网关可以采用两种形式：
    第一种是硬网关形式，家庭网关作为类似机顶盒伴侣或家庭智能信息终端等独立设备存在。通过提供丰富的有线无线接口(LAN、USB、Wi-Fi、ZigBee、蓝牙等)，实现与机顶盒实时通信。
    第二种是软网关形式，通过将相关应用程序移植到机顶盒内部，实现硬网关同等功能，控制部分通过如ZigBee、Wi-Fi对等网完成。这种形式下，用户使用一个数字机顶盒就可以实现广电网物联网的所有应用功能。
2．2 组网模式
    在基于ZigBee的家庭认知传感网构建中，植入ZigBee模块的机顶盒作为家庭网关，同时作为ZigBee网络协调器，与网络中各子节点进行通讯。其他如植入ZigBee无线网络收发模块的家用设备，或者市场上目前已出现的内嵌ZigBee模块设备作为子节点，负责控制信令或感知数据的收发。
    机顶盒上电后，家庭设备子节点将自动加入ZigBee网络，工作过程如下：
    (1)ZigBee协调器(机顶盒)成功创建ZigBee网络，等待终端节点加入；
    (2)终端节点及传感器上电后，通过信道扫描、能量检测等手段，自动查找存在的ZigBee网络，找到后加入网络，机顶盒向子节点分配短地址及长地址；
    (3)机顶盒MCU保存节点地址信息；
    (4)当用户需要控制某终端节点时，在电视屏幕或移动终端上进行选择(比如测量室内温度)，机顶盒通过提取温度传感器子节点的相应地址，向其节点发送指令；
    (5)温度传感器子节点收到指令后，对室内温度进行测量，并返回给机顶盒，最终显示在电视机屏幕上。
    其中，家庭网络中不同位置的ZigBee模块需要设置不同的运行模式，以执行如下的不同功能；
    (1)将机顶盒内的ZigBee模块设置为接收／发送模式，用于接收来自其他ZigBee的信息，并将机顶盒控制信息发送到其他ZigBee；
    (2)将与家用设备连接的ZigBee置于接收状态，当接收到控制指令时，控制家电执行操作；
    (3)将与传感器连接的ZigBee置于发送状态，将采集的数据发送至机顶盒。
2．3 性能指标
    不同房间由于墙的阻挡，会影响信号，需要考虑模块的发射功率和接收灵敏度。文献在无障碍和有障碍的情况下分别就ZigBee的丢包率进行了测试，结果表明，ZigBee节点如果无障碍传输80 m，丢包率<1％；传输距离30 m，间隔一堵墙丢包率为0，间隔两堵墙为1％，间隔三堵墙为35％。按照这个结论，普通商品房(间隔不会超过两堵墙)内ZigBee的丢包率应该没有问题。但是实际操作中需要针对不同的ZigBee模块进行相关性能确认，这也是我们的后期工作之一。

3 结语
    ZigBee技术还在不断完善，它所具有的低功耗、低成本、使用便捷等显著的技术优势，使它必将有着广阔的应用前景。ZigBee联盟预言在未来的四到五年内，每个家庭将拥有50个ZigBee器件，最后将达到每个家庭150个。相信存不久的将来，基于ZigBee技术的广电网智能家居产品会走进全球每家每户，在提高我们的生活质量方面作出突出的贡献。