ZigBee技術在家庭認知傳感網中的應用

摘要：為實現(xiàn)低速率、低能耗、高可靠性的家庭認知傳感網，對ZigBee技術的優(yōu)缺點進行了分析，同時結合基于廣電網絡的智能家居體系架構建設，探討了以數字機頂盒作為家庭網關及ZigBee網絡協(xié)調器的可行性。分析結果表明，ZigBee技術完全能夠滿足家庭認知傳感網中控制信令及感應數據的接收和發(fā)送需求，具有較高的可靠性和可用性。
關鍵詞：認知傳感網；ZigBee；機頂盒；網關

0 引言
工信部《物聯(lián)網“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路。
各大運營商已經開始了智能能家居終端市場的開拓。其中，廣電網絡運營商充分利用終端100％入戶的優(yōu)勢，將數字機頂盒打造為新型家庭智能網關。各類感知終端(比如溫濕度傳感器、體征傳感器等)采集相關數據后，通過家庭認知傳感網傳輸至家庭網關，家庭網關與后端服務平臺對接實現(xiàn)數據的整理、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，簡單來說即是家庭無線網絡。目前，應用于智能家居的無線組網技術主要包括：433、藍牙、Wi-Fi和ZigBee技術等?？紤]到智能家居設備之間通信的特殊性，家庭認知傳感網應該具備以下特征，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技術的優(yōu)缺點，認為ZigBee技術在當前家庭認知傳感網的構建中占據一定優(yōu)勢。

1 ZigBee網絡
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技術是以高速率數據流信道為目的。另外，和藍牙或802．11x無線局域網相比，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，已經采取了減少包括報頭在內的傳輸數據量、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，方便用戶。相同條件下，藍牙僅能維持數周藍牙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)點進入網絡只需30 ms，具有較高的可擴展性。
(5)可靠性高
盡管ZigBee網絡與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、完全確認的數據傳輸機制，保證了ZigBee在數據傳輸上的高可靠性。同時，低任務周期和低數據容量意味著ZigBee設備不太可能產生嚴重的干擾疊加到Wi-Fi或藍牙網絡上。ZigBee2007中將頻率捷變自動化，能夠根據通信環(huán)境的變化及時更改信道，使得通信能夠更好地進行。
(6)有靈活的自組網功能
ZigBee網絡通過特殊的網絡加入和退出模式，由PAN協(xié)調器統(tǒng)一管理各個了節(jié)點，擁有較強的網絡自組織自愈能力。
綜上所述，與Wi-Fi及藍牙等組網技術相比較，ZigBee更適用于家庭認知傳感網的建設。

2 基于ZigBee技術的家庭認知傳感網
2．1 家庭網關
家庭網關作為連接家庭認知傳感網和外部網絡的中間設備，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、靈活的整個家庭網絡接口單元，它可以從不同的外部網絡接收通訊信號，通過家庭網絡傳遞信號給某個設備。筆者認為，作為智能家居的核心，家庭網關的功能應該有三個層次。首先是數據網關，實現(xiàn)家庭數據采集、匯聚及上傳等功能；其次是家庭控制網關，實現(xiàn)遠程化的控制與頁面瀏覽；第三是多媒體網關，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關，大多已經實現(xiàn)了第一層次的功能，部分逐步向第二層次靠近，能實現(xiàn)第三層次的網關寥寥無幾。之前的學者已經進行過許多研究，如利用32位RISC微處理器和ZigBee技術構建嵌入式家庭網關，但是也只是局限于第一第二層次。如果將數字機頂盒打造為智能家庭網關，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。