張 偉（西安培華學(xué)院，陜西西安，710125）

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基于ZigBee協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)智能家居技術(shù)探討

張 偉
（西安培華學(xué)院，陜西西安，710125）

摘要：在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟與智能家居技術(shù)的普及，ZigBee作為最適合物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備之間通信的協(xié)議已經(jīng)被越來越多的開發(fā)者們所青睞以及使用，但是在智能家居應(yīng)用領(lǐng)域中，由于家庭用戶的需求以及家庭網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)與工業(yè)領(lǐng)域的不同，ZigBee技術(shù)本身的不足問題也日益凸顯，本文重點(diǎn)對(duì)該技術(shù)在智能家居應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析與討論，為智能家居產(chǎn)品的開發(fā)以及ZigBee協(xié)議的設(shè)計(jì)者們提供一些思路。

關(guān)鍵詞：ZigBee協(xié)議；物聯(lián)網(wǎng)；智能家居

0　引言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things），是指通過射頻識(shí)別等各種信息傳感設(shè)備，按協(xié)議的約定，把物品通過互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。其主要特征是：第一，以互聯(lián)網(wǎng)為核心，建立在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上的一種物物相聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的擴(kuò)展；第二，將傳統(tǒng)的人與人之間的交互擴(kuò)展到人與物、物與物的交互上；第三，傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)物物相聯(lián)與信息交換的主要技術(shù)之一。

智能家居（smart home），是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。在智能家居設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)領(lǐng)域，ZigBee技術(shù)是可以與WIFI技術(shù)抗衡的通訊技術(shù)之一。

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，ZigBee通信協(xié)議以其低功率、低速率、低復(fù)雜度、低成本、雙向無線通信等特點(diǎn)成為了某些工業(yè)設(shè)備通訊領(lǐng)域的首選。ZigBee通信協(xié)議使用工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻段包括915MHz（美國(guó)）、 868MHz（歐洲）、2. 4GHz（全球），這三個(gè)頻帶擴(kuò)頻都使用直接序列擴(kuò)頻（DSSS），但從比特到碼片的變換差別較大。調(diào)制方式都用了調(diào)相技術(shù)，但868MHz和915MHz頻段采用的是BPSK，而2.4GHz頻段采用的是OQPSK。傳輸距離方面，在發(fā)射功率為0dBm的情況下，ZigBee在室內(nèi)通常能達(dá)到30-50米的作用距離，在室外空曠地帶甚至可以達(dá)到400米（以TI CC2530不加功率放大為例）。

1　ZigBee技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

目前，ZigBee協(xié)議在井下定位，停車場(chǎng)車位定位，室外溫濕度采集，污染采集等領(lǐng)域的通信系統(tǒng)開發(fā)中有著較為廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

（1）抗干擾力能力強(qiáng)：Zigbee收發(fā)模塊使用的是2.4G直序擴(kuò)頻技術(shù)，比起一般FSK，ASK和跳頻技術(shù)來說，具有更強(qiáng)的抗干擾能力；

（2）保密性好：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用通用的AES-128加密算法，其長(zhǎng)達(dá)128位的密碼為ZigBee信號(hào)傳輸?shù)谋Ｃ苄蕴峁┝税踩Ｕ希?/p>

（3）傳輸速度快：ZigBee傳輸數(shù)據(jù)多采用短幀傳送，因此，傳輸速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)；

（4）可擴(kuò)展性強(qiáng)：ZigBee組網(wǎng)容易，自恢復(fù)能力強(qiáng)，因此，便于在智能家居中進(jìn)行擴(kuò)展，增加新設(shè)備；

但是由于家庭環(huán)境與工業(yè)環(huán)境的不同以及家庭用戶在組網(wǎng)的特點(diǎn)與需求上與工業(yè)用戶的差別，ZigBee技術(shù)在智能家居的應(yīng)用中，也存在一些缺點(diǎn)，主要有以下幾點(diǎn)：

（1）目前國(guó)內(nèi)ZigBee技術(shù)主要采用ISM頻段中的2.4GHz頻率，衍射能力較弱、穿墻能力弱是其最大的缺點(diǎn)，智能家居設(shè)備通常安置在不同的房間中，隔墻較多導(dǎo)致設(shè)備間信號(hào)傳輸質(zhì)量

得不到保障，所以可能產(chǎn)生信號(hào)較弱等問題，如果使用射頻功放器，對(duì)2.4GHz的信號(hào)進(jìn)行放大，那么不但會(huì)造成輻射污染問題，同時(shí)會(huì)增加功耗，降低待機(jī)時(shí)間，使得ZigBee技術(shù)的低功耗與節(jié)能特點(diǎn)得不到有效體現(xiàn)。此外，ZigBee技術(shù)所使用的2.4GHz頻率非常容易與家庭中普遍使用的WIFI、藍(lán)牙頻段產(chǎn)生干擾，尤其在無線路由器普遍使用的今天，戶與戶之間的干擾尤為嚴(yán)重。而ZigBee技術(shù)在美國(guó)和歐洲普遍采用的915MHz、869MHz頻率的信道也容易受射頻的干擾；

（2）家庭環(huán)境中的智能家居設(shè)備位置通常比較固定，也一般不會(huì)移動(dòng)，雖然ZigBee技術(shù)具有自組網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但這一優(yōu)點(diǎn)在家居環(huán)境中得不到體現(xiàn)，相反，自組網(wǎng)技術(shù)所消耗的時(shí)間和資源卻影響了設(shè)備間通信的效率，也影響了整個(gè)家庭局域網(wǎng)的通信效率；

（3）低速率的特點(diǎn)決定其帶寬較窄，ZigBee技術(shù)雖然在加密技術(shù)上采用了AES-128加密算法，但其窄帶寬的特點(diǎn)決定其數(shù)據(jù)變化能力有限，加密功能受到限制，因此容易遭到黑客破解；

（4）家庭環(huán)境中的智能家居設(shè)備數(shù)量不多，通常幾個(gè)到幾十個(gè)節(jié)點(diǎn)不等，再多的節(jié)點(diǎn)和設(shè)備數(shù)量也會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度以及用戶操作的難度，雖然ZigBee技術(shù)支持高達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)，但這一特點(diǎn)并不能為智能家居網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建提供有效的幫助；

（5）在物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)日益成熟的今天，通信設(shè)備之間對(duì)速率的要求也越來越高，ZigBee技術(shù)的低速率特征無法滿足物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的并發(fā)要求，使其應(yīng)用范圍進(jìn)一步受限；

（6）ZigBee芯片的價(jià)格也是制約其大規(guī)模使用的一個(gè)難題，芯片和外圍射頻器件的價(jià)格通常在50元人民幣左右，而家庭用戶通常對(duì)設(shè)備的價(jià)格比較敏感，如果家庭設(shè)備較多，高昂的成本也是阻礙該技術(shù)在家庭中普及的重要因素。

所以，ZigBee技術(shù)雖然具有抗干擾力能力強(qiáng)、保密性好、傳輸速度快、可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但其較高的使用成本和差強(qiáng)人意的穿墻能力以及對(duì)家庭用戶而言沒有意義的自組網(wǎng)和大容量?jī)?yōu)勢(shì)，阻礙了ZigBee技術(shù)在智能家居產(chǎn)品中的應(yīng)用和推廣。

2　結(jié)論

ZigBee技術(shù)既有WIFI、藍(lán)牙等技術(shù)所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，也有在家庭環(huán)境中應(yīng)用受限的特點(diǎn)和無法滿足用戶需求的缺點(diǎn)，靈活運(yùn)用ZigBee技術(shù)，結(jié)合WIFI和藍(lán)牙通信技術(shù)，發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，克服其缺點(diǎn)，才能夠更好地為用戶提供高性價(jià)比，高可靠性的智能家居產(chǎn)品，從而引領(lǐng)智能家居市場(chǎng)進(jìn)入新紀(jì)元。

參考文獻(xiàn)

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［5］蘇書.zigbee技術(shù)的真實(shí)與謊言.http：//tieba.baidu.com/ p/2742951911？pn=1

課題項(xiàng)目：本項(xiàng)目為西安培華學(xué)院2015年校級(jí)科研課題，項(xiàng)目名稱：大數(shù)據(jù)背景下的物聯(lián)網(wǎng)智能家居研究

項(xiàng)目編號(hào)：PHKT20150705。

Discussion on Internet of things smart home technology based on ZigBee protocol

Zhang Wei
（Xi'an Peihua University， Xi'an， Shaanxi， 710125）

Abstract：In the popularity of the Internet of things technology mature and smart home technology，ZigBee as the most suitable network sensing equipment communication protocol has been favored by more and more developers and the use of，but in the smart home applications，due to the home user needs and family network characteristics and industrial areas of different ZigBee Technology problems have become increasingly prominent，this paper on the merits and demerits of the technology in the application of intelligent household were analysis and discussion， for the intelligent home product development and ZigBee protocol designers to provide some ideas.

Keywords：ZigBee protocol；Internet of things；smart home