ZigBee技術(shù)在家庭認(rèn)知傳感網(wǎng)中的應(yīng)用

摘要：為實(shí)現(xiàn)低速率、低能耗、高可靠性的家庭認(rèn)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(jié)合基于廣電網(wǎng)絡(luò)的智能家居體系架構(gòu)建設(shè)，探討了以數(shù)字機(jī)頂盒作為家庭網(wǎng)關(guān)及ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的可行性。分析結(jié)果表明，ZigBee技術(shù)完全能夠滿足家庭認(rèn)知傳感網(wǎng)中控制信令及感應(yīng)數(shù)據(jù)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(rèn)知傳感網(wǎng)；ZigBee；機(jī)頂盒；網(wǎng)關(guān)

0 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(diǎn)領(lǐng)域應(yīng)用示范工程之一，通過示范應(yīng)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(yuǎn)程控制、良好的人機(jī)互動體驗(yàn)、低成本低功耗等方向發(fā)展，其關(guān)鍵技術(shù)為兼容性強(qiáng)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(yùn)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(luò)運(yùn)營商充分利用終端100％入戶的優(yōu)勢，將數(shù)字機(jī)頂盒打造為新型家庭智能網(wǎng)關(guān)。各類感知終端(比如溫濕度傳感器、體征傳感器等)采集相關(guān)數(shù)據(jù)后，通過家庭認(rèn)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(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(yuǎn)程輔助診療及異常報(bào)警等各項(xiàng)業(yè)務(wù)。
    所謂家庭認(rèn)知傳感網(wǎng)，簡單來說即是家庭無線網(wǎng)絡(luò)。目前，應(yīng)用于智能家居的無線組網(wǎng)技術(shù)主要包括：433、藍(lán)牙、Wi-Fi和ZigBee技術(shù)等。考慮到智能家居設(shè)備之間通信的特殊性，家庭認(rèn)知傳感網(wǎng)應(yīng)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線組網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為ZigBee技術(shù)在當(dāng)前家庭認(rèn)知傳感網(wǎng)的構(gòu)建中占據(jù)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)人周圍的一個(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(biāo)是提供設(shè)備控制信道，而不像USB技術(shù)是以高速率數(shù)據(jù)流信道為目的。另外，和藍(lán)牙或802．11x無線局域網(wǎng)相比，ZigBee協(xié)議更為簡單實(shí)用。
    ZigBee技術(shù)運(yùn)用于家庭認(rèn)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(dá)10～75m，完全能夠滿足普通住宅室內(nèi)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(qiáng)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(yīng)的藍(lán)牙為16，Wi-Fi為10)。
    (2)低功耗
    ZigBee為實(shí)現(xiàn)超低功率損耗，已經(jīng)采取了減少包括報(bào)頭在內(nèi)的傳輸數(shù)據(jù)量、減少收發(fā)機(jī)的任務(wù)周期、縮減工作范圍等措施，其功率一般只相當(dāng)于藍(lán)牙的1％。兩節(jié)五號電池可使用長達(dá)六個(gè)月到兩年左右的時(shí)間，減少更換次數(shù)，方便用戶。相同條件下，藍(lán)牙僅能維持?jǐn)?shù)周藍(lán)牙4．0以低功耗為顯著特點(diǎn)，本文中所知藍(lán)牙技術(shù)為4．0之前版本)，而Wi-Fi僅能維持?jǐn)?shù)小時(shí)。這一點(diǎn)限制了后兩種技術(shù)在智能家居上的應(yīng)用。
    (3)低成本
    在2．4 GHz ISM頻段免協(xié)議專利費(fèi)，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(diǎn)成本約50美分，而藍(lán)牙約5美元，Wi-Fi約20美元。
    (4)容量大
    1個(gè)主節(jié)點(diǎn)可以管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，能夠滿足家庭智能家居傳感器使用，且節(jié)點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，具有較高的可擴(kuò)展性。
    (5)可靠性高
    盡管ZigBee網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi、藍(lán)牙等競爭接入2．4 GHzISM頻段，但是由于一般ZigBee設(shè)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。通過碰撞避免、專用時(shí)隙、完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，保證了ZigBee在數(shù)據(jù)傳輸上的高可靠性。同時(shí)，低任務(wù)周期和低數(shù)據(jù)容量意味著ZigBee設(shè)備不太可能產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾疊加到Wi-Fi或藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)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(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)通過特殊的網(wǎng)絡(luò)加入和退出模式，由PAN協(xié)調(diào)器統(tǒng)一管理各個(gè)了節(jié)點(diǎn)，擁有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)自組織自愈能力。
    綜上所述，與Wi-Fi及藍(lán)牙等組網(wǎng)技術(shù)相比較，ZigBee更適用于家庭認(rèn)知傳感網(wǎng)的建設(shè)。

2 基于ZigBee技術(shù)的家庭認(rèn)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(rèn)知傳感網(wǎng)和外部網(wǎng)絡(luò)的中間設(shè)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(guān)組織RG將其定義為： 一種簡單的、智能的、標(biāo)準(zhǔn)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，通過家庭網(wǎng)絡(luò)傳遞信號給某個(gè)設(shè)備。筆者認(rèn)為，作為智能家居的核心，家庭網(wǎng)關(guān)的功能應(yīng)該有三個(gè)層次。首先是數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)，實(shí)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(guān)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化的控制與頁面瀏覽；第三是多媒體網(wǎng)關(guān)，作為家庭的多媒體娛樂中心，實(shí)現(xiàn)音頻和視頻信息的傳輸與處理。目前國內(nèi)市場上的網(wǎng)關(guān)，大多已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了第一層次的功能，部分逐步向第二層次靠近，能實(shí)現(xiàn)第三層次的網(wǎng)關(guān)寥寥無幾。之前的學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行過許多研究，如利用32位RISC微處理器和ZigBee技術(shù)構(gòu)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(shù)字機(jī)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(xiàn)上述三層次功能的強(qiáng)勢整合。
    充分利用現(xiàn)有數(shù)字機(jī)頂盒的上傳通道，以數(shù)字機(jī)頂盒為家庭網(wǎng)關(guān)推廣智能家居是廣電網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的不二選擇。在新型數(shù)字機(jī)頂盒中預(yù)先植入ZigBee、Wi-Fi等模塊，圖1所示是一個(gè)家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的基本架構(gòu)，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。

    從形態(tài)上來說，基于廣電網(wǎng)絡(luò)的家庭智能網(wǎng)關(guān)可以采用兩種形式：
    第一種是硬網(wǎng)關(guān)形式，家庭網(wǎng)關(guān)作為類似機(jī)頂盒伴侶或家庭智能信息終端等獨(dú)立設(shè)備存在。通過提供豐富的有線無線接口(LAN、USB、Wi-Fi、ZigBee、藍(lán)牙等)，實(shí)現(xiàn)與機(jī)頂盒實(shí)時(shí)通信。
    第二種是軟網(wǎng)關(guān)形式，通過將相關(guān)應(yīng)用程序移植到機(jī)頂盒內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)硬網(wǎng)關(guān)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(gè)數(shù)字機(jī)頂盒就可以實(shí)現(xiàn)廣電網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)的所有應(yīng)用功能。
2．2 組網(wǎng)模式
    在基于ZigBee的家庭認(rèn)知傳感網(wǎng)構(gòu)建中，植入ZigBee模塊的機(jī)頂盒作為家庭網(wǎng)關(guān)，同時(shí)作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，與網(wǎng)絡(luò)中各子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。其他如植入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊的家用設(shè)備，或者市場上目前已出現(xiàn)的內(nèi)嵌ZigBee模塊設(shè)備作為子節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)控制信令或感知數(shù)據(jù)的收發(fā)。
    機(jī)頂盒上電后，家庭設(shè)備子節(jié)點(diǎn)將自動加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，工作過程如下：
    (1)ZigBee協(xié)調(diào)器(機(jī)頂盒)成功創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，等待終端節(jié)點(diǎn)加入；
    (2)終端節(jié)點(diǎn)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(luò)，找到后加入網(wǎng)絡(luò)，機(jī)頂盒向子節(jié)點(diǎn)分配短地址及長地址；
    (3)機(jī)頂盒MCU保存節(jié)點(diǎn)地址信息；
    (4)當(dāng)用戶需要控制某終端節(jié)點(diǎn)時(shí)，在電視屏幕或移動終端上進(jìn)行選擇(比如測量室內(nèi)溫度)，機(jī)頂盒通過提取溫度傳感器子節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)地址，向其節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令；
    (5)溫度傳感器子節(jié)點(diǎn)收到指令后，對室內(nèi)溫度進(jìn)行測量，并返回給機(jī)頂盒，最終顯示在電視機(jī)屏幕上。
    其中，家庭網(wǎng)絡(luò)中不同位置的ZigBee模塊需要設(shè)置不同的運(yùn)行模式，以執(zhí)行如下的不同功能；
    (1)將機(jī)頂盒內(nèi)的ZigBee模塊設(shè)置為接收／發(fā)送模式，用于接收來自其他ZigBee的信息，并將機(jī)頂盒控制信息發(fā)送到其他ZigBee；
    (2)將與家用設(shè)備連接的ZigBee置于接收狀態(tài)，當(dāng)接收到控制指令時(shí)，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(jī)頂盒。
2．3 性能指標(biāo)
    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(xiàn)在無障礙和有障礙的情況下分別就ZigBee的丟包率進(jìn)行了測試，結(jié)果表明，ZigBee節(jié)點(diǎn)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(gè)結(jié)論，普通商品房(間隔不會超過兩堵墻)內(nèi)ZigBee的丟包率應(yīng)該沒有問題。但是實(shí)際操作中需要針對不同的ZigBee模塊進(jìn)行相關(guān)性能確認(rèn)，這也是我們的后期工作之一。

3 結(jié)語
    ZigBee技術(shù)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(shù)優(yōu)勢，使它必將有著廣闊的應(yīng)用前景。ZigBee聯(lián)盟預(yù)言在未來的四到五年內(nèi)，每個(gè)家庭將擁有50個(gè)ZigBee器件，最后將達(dá)到每個(gè)家庭150個(gè)。相信存不久的將來，基于ZigBee技術(shù)的廣電網(wǎng)智能家居產(chǎn)品會走進(jìn)全球每家每戶，在提高我們的生活質(zhì)量方面作出突出的貢獻(xiàn)。