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"作為重點領域應用示范工程之一，通過示范應用牽引產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前，智能家居正朝著具備本地及遠程控制、良好的人機互動體驗、低成本低功耗等方向發(fā)展，其關鍵技術為兼容性強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)絡運營商充分利用終端100%入戶的優(yōu)勢，將數(shù)字機頂盒打造為新型家庭智能網(wǎng)關。各類感知終端（比如溫濕度傳感器、體征傳感器等）采集相關數(shù)據(jù)后，通過家庭認知傳感網(wǎng)傳輸至家庭網(wǎng)關，家庭網(wǎng)關與后端服務平臺對接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整理、分析和挖掘，完成生活照料、體征監(jiān)測、遠程輔助診療及異常報警等各項業(yè)務。

所謂家庭認知傳感網(wǎng)，簡單來說即是家庭無線網(wǎng)絡。目前，應用于智能家居的無線組網(wǎng)技術主要包括：433、藍牙、Wi-Fi和ZigBee技術等。考慮到智能家居設備之間通信的特殊性，家庭認知傳感網(wǎng)應該具備以下特征，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)技術的優(yōu)缺點，認為ZigBee技術在當前家庭認知傳感網(wǎng)的構建中占據(jù)一定優(yōu)勢。

1 ZigBee網(wǎng)絡

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，目標是提供設備控制信道，而不像USB技術是以高速率數(shù)據(jù)流信道為目的。另外，和藍牙或802.11x無線局域網(wǎng)相比，ZigBee協(xié)議更為簡單實用。

ZigBee技術運用于家庭認知傳感網(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10~75m,完全能夠滿足普通住宅室內要求。ZigBee有16個信道，并且在低信噪比環(huán)境中ZigBee具有很強的抗干擾能力（如果要求誤碼率為10-9,ZigBee信噪比只需4,而相對應的藍牙為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的傳輸數(shù)據(jù)量、減少收發(fā)機的任務周期、縮減工作范圍等措施，其功率一般只相當于藍牙的1%.兩節(jié)五號電池可使用長達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，藍牙僅能維持數(shù)周藍牙4.0以低功耗為顯著特點，本文中所知藍牙技術為4.0之前版本），而Wi-Fi僅能維持數(shù)小時。這一點限制了后兩種技術在智能家居上的應用。

（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)點進入網(wǎng)絡只需30 ms,具有較高的可擴展性。

（5）可靠性高

盡管ZigBee網(wǎng)絡與Wi-Fi、藍牙等競爭接入2.4 GHzISM頻段，但是由于一般ZigBee設備的任務周期非常短，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、完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，保證了ZigBee在數(shù)據(jù)傳輸上的高可靠性。同時，低任務周期和低數(shù)據(jù)容量意味著ZigBee設備不太可能產(chǎn)生嚴重的干擾疊加到Wi-Fi或藍牙網(wǎng)絡上。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行。

（6）有靈活的自組網(wǎng)功能

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

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

2 基于ZigBee技術的家庭認知傳感網(wǎng)

2.1 家庭網(wǎng)關

家庭網(wǎng)關作為連接家庭認知傳感網(wǎng)和外部網(wǎng)絡的中間設備，不同的人或不同的廠商對其有著不同的定義。家庭網(wǎng)關組織RG將其定義為： 一種簡單的、智能的、標準化的、靈活的整個家庭網(wǎng)絡接口單元，它可以從不同的外部網(wǎng)絡接收通訊信號，通過家庭網(wǎng)絡傳遞信號給某個設備。筆者認為，作為智能家居的核心，家庭網(wǎng)關的功能應該有三個層次。首先是數(shù)據(jù)網(wǎng)關，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，實現(xiàn)遠程化的控制與頁面瀏覽；第三是多媒體網(wǎng)關，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。目前國內市場上的網(wǎng)關，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)關寥寥無幾。之前的學者已經(jīng)進行過許多研究，如利用32位RISC微處理器和ZigBee技術構建嵌入式家庭網(wǎng)關，但是也只是局限于第一第二層次。如果將數(shù)字機頂盒打造為智能家庭網(wǎng)關，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勢整合。

充分利用現(xiàn)有數(shù)字機頂盒的上傳通道，以數(shù)字機頂盒為家庭網(wǎng)關推廣智能家居是廣電網(wǎng)絡運營商的不二選擇。在新型數(shù)字機頂盒中預先植入ZigBee、Wi-Fi等模塊，圖1所示是一個家庭網(wǎng)關系統(tǒng)的基本架構，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)關系統(tǒng)的基本架構

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

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

第二種是軟網(wǎng)關形式，通過將相關應用程序移植到機頂盒內部，實現(xiàn)硬網(wǎng)關同等功能，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)字機頂盒就可以實現(xiàn)廣電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的所有應用功能。

2.2 組網(wǎng)模式

在基于ZigBee的家庭認知傳感網(wǎng)構建中，植入ZigBee模塊的機頂盒作為家庭網(wǎng)關，同時作為ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調器，與網(wǎng)絡中各子節(jié)點進行通訊。其他如植入ZigBee無線網(wǎng)絡收發(fā)模塊的家用設備，或者市場上目前已出現(xiàn)的內嵌ZigBee模塊設備作為子節(jié)點，負責控制信令或感知數(shù)據(jù)的收發(fā)。

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

（1）ZigBee協(xié)調器（機頂盒）成功創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡，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，找到后加入網(wǎng)絡，機頂盒向子節(jié)點分配短地址及長地址；

（3）機頂盒MCU保存節(jié)點地址信息；

（4）當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行選擇（比如測量室內溫度），機頂盒通過提取溫度傳感器子節(jié)點的相應地址，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，對室內溫度進行測量，并返回給機頂盒，最終顯示在電視機屏幕上。

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

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

（2）將與家用設備連接的ZigBee置于接收狀態(tài)，當接收到控制指令時，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)送至機頂盒。

2.3 性能指標

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。文獻在無障礙和有障礙的情況下分別就ZigBee的丟包率進行了測試，結果表明，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%.按照這個結論，普通商品房（間隔不會超過兩堵墻）內ZigBee的丟包率應該沒有問題。但是實際操作中需要針對不同的ZigBee模塊進行相關性能確認，這也是我們的后期工作之一。

3 結語

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