ZigBee技術(shù)在家庭認知傳感網(wǎng)中的應用

摘要：為實(shí)現低速率、低能耗、高可靠性的家庭認知傳感網(wǎng)，對ZigBee技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，同時(shí)結合基于廣電網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)關(guān)及ZigBee網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器的可行性。分析結果表明，ZigBee技術(shù)完全能夠滿(mǎn)足家庭認知傳感網(wǎng)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(guān)鍵詞：認知傳感網(wǎng)；ZigBee；機頂盒；網(wǎng)關(guān)

0 引言
工信部《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規劃》中明確提出將“智能家居”作為重點(diǎn)領(lǐng)域應用示范工程之一，通過(guò)示范應用牽引產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前，智能家居正朝著(zhù)具備本地及遠程控制、良好的人機互動(dòng)體驗、低成本低功耗等方向發(fā)展，其關(guān)鍵技術(shù)為兼容性強的家庭控制終端和滿(mǎn)足信息傳輸需要的家庭無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路。
各大運營(yíng)商已經(jīng)開(kāi)始了智能能家居終端市場(chǎng)的開(kāi)拓。其中，廣電網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商充分利用終端100％入戶(hù)的優(yōu)勢，將數字機頂盒打造為新型家庭智能網(wǎng)關(guān)。各類(lèi)感知終端(比如溫濕度傳感器、體征傳感器等)采集相關(guān)數據后，通過(guò)家庭認知傳感網(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(shí)現數據的整理、分析和挖掘，完成生活照料、體征監測、遠程輔助診療及異常報警等各項業(yè)務(wù)。
所謂家庭認知傳感網(wǎng)，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)即是家庭無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。目前，應用于智能家居的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)主要包括：433、藍牙、Wi-Fi和ZigBee技術(shù)等?？紤]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(jià)、高可靠、自配置。前期作者充分比較了上述幾種無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，認為ZigBee技術(shù)在當前家庭認知傳感網(wǎng)的構建中占據一定優(yōu)勢。

1 ZigBee網(wǎng)絡(luò )
IEEE802．15.4中提出了“個(gè)人操作空間(Personal Operating Space，POS)”的概念，即個(gè)人周?chē)囊粋€(gè)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(shù)是以高速率數據流信道為目的。另外，和藍牙或802．11x無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)相比，ZigBee協(xié)議更為簡(jiǎn)單實(shí)用。
ZigBee技術(shù)運用于家庭認知傳感網(wǎng)有下述優(yōu)點(diǎn)：
(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(mǎn)足普通住宅室內要求。ZigBee有16個(gè)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(shí)現超低功率損耗，已經(jīng)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(wù)周期、縮減工作范圍等措施，其功率一般只相當于藍牙的1％。兩節五號電池可使用長(cháng)達六個(gè)月到兩年左右的時(shí)間，減少更換次數，方便用戶(hù)。相同條件下，藍牙僅能維持數周藍牙4．0以低功耗為顯著(zhù)特點(diǎn)，本文中所知藍牙技術(shù)為4．0之前版本)，而Wi-Fi僅能維持數小時(shí)。這一點(diǎn)限制了后兩種技術(shù)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(zhuān)利費，協(xié)議簡(jiǎn)單且所需存儲空間小，故可降低成本。目前，ZigBee的節點(diǎn)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(gè)主節點(diǎn)可以管理254個(gè)子節點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足家庭智能家居傳感器使用，且節點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )只需30 ms，具有較高的可擴展性。
(5)可靠性高
盡管ZigBee網(wǎng)絡(luò )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(wù)周期非常短，對于潛在的干擾具有良好的魯棒性。通過(guò)碰撞避免、專(zhuān)用時(shí)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(shí)，低任務(wù)周期和低數據容量意味著(zhù)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(luò )上。ZigBee2007中將頻率捷變自動(dòng)化，能夠根據通信環(huán)境的變化及時(shí)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(guò)特殊的網(wǎng)絡(luò )加入和退出模式，由PAN協(xié)調器統一管理各個(gè)了節點(diǎn)，擁有較強的網(wǎng)絡(luò )自組織自愈能力。
綜上所述，與Wi-Fi及藍牙等組網(wǎng)技術(shù)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(shù)的家庭認知傳感網(wǎng)
2．1 家庭網(wǎng)關(guān)
家庭網(wǎng)關(guān)作為連接家庭認知傳感網(wǎng)和外部網(wǎng)絡(luò )的中間設備，不同的人或不同的廠(chǎng)商對其有著(zhù)不同的定義。家庭網(wǎng)關(guān)組織RG將其定義為： 一種簡(jiǎn)單的、智能的、標準化的、靈活的整個(gè)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(guò)家庭網(wǎng)絡(luò )傳遞信號給某個(gè)設備。筆者認為，作為智能家居的核心，家庭網(wǎng)關(guān)的功能應該有三個(gè)層次。首先是數據網(wǎng)關(guān)，實(shí)現家庭數據采集、匯聚及上傳等功能；其次是家庭控制網(wǎng)關(guān)，實(shí)現遠程化的控制與頁(yè)面瀏覽；第三是多媒體網(wǎng)關(guān)，作為家庭的多媒體娛樂(lè )中心，實(shí)現音頻和視頻信息的傳輸與處理。目前國內市場(chǎng)上的網(wǎng)關(guān)，大多已經(jīng)實(shí)現了第一層次的功能，部分逐步向第二層次靠近，能實(shí)現第三層次的網(wǎng)關(guān)寥寥無(wú)幾。之前的學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行過(guò)許多研究，如利用32位RISC微處理器和ZigBee技術(shù)構建嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)，但是也只是局限于第一第二層次。如果將數字機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(shí)現上述三層次功能的強勢整合。