基于ZigBee协议的物联网智能家居技术探讨

张 伟（西安培华学院，陕西西安，710125）



基于ZigBee协议的物联网智能家居技术探讨

张 伟
（西安培华学院，陕西西安，710125）

摘要：在物联网技术的成熟与智能家居技术的普及，ZigBee作为最适合物联网传感设备之间通信的协议已经被越来越多的开发者们所青睐以及使用，但是在智能家居应用领域中，由于家庭用户的需求以及家庭网络的特点与工业领域的不同，ZigBee技术本身的不足问题也日益凸显，本文重点对该技术在智能家居应用中的优缺点进行了分析与讨论，为智能家居产品的开发以及ZigBee协议的设计者们提供一些思路。

关键词：ZigBee协议；物联网；智能家居

0　引言

物联网（Internet of Things），是指通过射频识别等各种信息传感设备，按协议的约定，把物品通过互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。其主要特征是：第一，以互联网为核心，建立在互联网基础之上的一种物物相联的网络，是互联网技术的扩展；第二，将传统的人与人之间的交互扩展到人与物、物与物的交互上；第三，传感器技术是实现物物相联与信息交换的主要技术之一。

智能家居（smart home），是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。在智能家居设备的网络通信技术领域，ZigBee技术是可以与WIFI技术抗衡的通讯技术之一。

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，ZigBee通信协议以其低功率、低速率、低复杂度、低成本、双向无线通信等特点成为了某些工业设备通讯领域的首选。ZigBee通信协议使用工业科学医疗（ISM）频段包括915MHz（美国）、 868MHz（欧洲）、2. 4GHz（全球），这三个频带扩频都使用直接序列扩频（DSSS），但从比特到码片的变换差别较大。调制方式都用了调相技术，但868MHz和915MHz频段采用的是BPSK，而2.4GHz频段采用的是OQPSK。传输距离方面，在发射功率为0dBm的情况下，ZigBee在室内通常能达到30-50米的作用距离，在室外空旷地带甚至可以达到400米（以TI CC2530不加功率放大为例）。

1　ZigBee技术的优缺点分析

目前，ZigBee协议在井下定位，停车场车位定位，室外温湿度采集，污染采集等领域的通信系统开发中有着较为广泛的应用，其优点主要有以下几点：

（1）抗干扰力能力强：Zigbee收发模块使用的是2.4G直序扩频技术，比起一般FSK，ASK和跳频技术来说，具有更强的抗干扰能力；

（2）保密性好：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用通用的AES-128加密算法，其长达128位的密码为ZigBee信号传输的保密性提供了安全保障；

（3）传输速度快：ZigBee传输数据多采用短帧传送，因此，传输速度快，实时性强；

（4）可扩展性强：ZigBee组网容易，自恢复能力强，因此，便于在智能家居中进行扩展，增加新设备；

但是由于家庭环境与工业环境的不同以及家庭用户在组网的特点与需求上与工业用户的差别，ZigBee技术在智能家居的应用中，也存在一些缺点，主要有以下几点：

（1）目前国内ZigBee技术主要采用ISM频段中的2.4GHz频率，衍射能力较弱、穿墙能力弱是其最大的缺点，智能家居设备通常安置在不同的房间中，隔墙较多导致设备间信号传输质量

得不到保障，所以可能产生信号较弱等问题，如果使用射频功放器，对2.4GHz的信号进行放大，那么不但会造成辐射污染问题，同时会增加功耗，降低待机时间，使得ZigBee技术的低功耗与节能特点得不到有效体现。此外，ZigBee技术所使用的2.4GHz频率非常容易与家庭中普遍使用的WIFI、蓝牙频段产生干扰，尤其在无线路由器普遍使用的今天，户与户之间的干扰尤为严重。而ZigBee技术在美国和欧洲普遍采用的915MHz、869MHz频率的信道也容易受射频的干扰；

（2）家庭环境中的智能家居设备位置通常比较固定，也一般不会移动，虽然ZigBee技术具有自组网的优点，但这一优点在家居环境中得不到体现，相反，自组网技术所消耗的时间和资源却影响了设备间通信的效率，也影响了整个家庭局域网的通信效率；

（3）低速率的特点决定其带宽较窄，ZigBee技术虽然在加密技术上采用了AES-128加密算法，但其窄带宽的特点决定其数据变化能力有限，加密功能受到限制，因此容易遭到黑客破解；

（4）家庭环境中的智能家居设备数量不多，通常几个到几十个节点不等，再多的节点和设备数量也会增加网络的复杂度以及用户操作的难度，虽然ZigBee技术支持高达65000个节点，但这一特点并不能为智能家居网络的构建提供有效的帮助；

（5）在物联网与大数据日益成熟的今天，通信设备之间对速率的要求也越来越高，ZigBee技术的低速率特征无法满足物联网大数据的并发要求，使其应用范围进一步受限；

（6）ZigBee芯片的价格也是制约其大规模使用的一个难题，芯片和外围射频器件的价格通常在50元人民币左右，而家庭用户通常对设备的价格比较敏感，如果家庭设备较多，高昂的成本也是阻碍该技术在家庭中普及的重要因素。

所以，ZigBee技术虽然具有抗干扰力能力强、保密性好、传输速度快、可扩展性强的优点，但其较高的使用成本和差强人意的穿墙能力以及对家庭用户而言没有意义的自组网和大容量优势，阻碍了ZigBee技术在智能家居产品中的应用和推广。

2　结论

ZigBee技术既有WIFI、蓝牙等技术所不能比拟的优点，也有在家庭环境中应用受限的特点和无法满足用户需求的缺点，灵活运用ZigBee技术，结合WIFI和蓝牙通信技术，发挥其优点，克服其缺点，才能够更好地为用户提供高性价比，高可靠性的智能家居产品，从而引领智能家居市场进入新纪元。

参考文献

［1］严萍，张兴敢，柏业超，杜仲林. 基于物联网技术的智能家居系统［J］. 南京大学学报（自然科学版），2012，01：26-32.

［2］宁炳武. Zigbee网络组网研究与实现［D］.大连理工大学，2007.

［3］闫沫.ZigBee协议栈的分析与设计［D］.厦门大学，2007.

［4］姜浩. 基于ZigBee无线网状网络在智能家居领域的实现［D］.大连理工大学，2010.

［5］苏书.zigbee技术的真实与谎言.http：//tieba.baidu.com/ p/2742951911？pn=1

课题项目：本项目为西安培华学院2015年校级科研课题，项目名称：大数据背景下的物联网智能家居研究

项目编号：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