ZigBee无线传感网报告.docx

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ZigBee无线传感网报告

无线传感网期末作业

ZigBee在智能家居领域的应用与前景

学院：

姓名：

2015.01.01

ZigBee无线传感网在智能家居领域中的应用前景分析

一、应用背景

智能家居的概念最早由美国、加拿大、欧洲、澳大利亚以及东南亚等经济比较发达的国家提出。

世界上第一幢智能建筑于1984年在美国康涅狄格州出现，当时只是对一座旧式大楼进行了一定改造，采用计算机对大楼内的空调、电梯、照明灯设备进行监测和控制，并提供语音通信、电子邮件和情报资料灯方面的信息服务。

而后涌现了各种不同的解决方案，涉及到生活的方方面面。

1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。

它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。

国内智能家居的控制系统产品十分繁多，由于入行门槛不高，技术水平要求较低，中国产生了数百个互不兼容的标准，直接导致了国内行业竞争激烈，标准不统一带来实际应用的的麻烦。

而2005年以后，智能家居的野蛮成长和恶性竞争，给智能家居行业带来了极大的负面影响。

导致实际使用效果差，产品可靠性、安全性缺乏。

不少媒体对智能家居提出了质疑，一般民众也逐渐丧失了信心。

但是智慧家居是今后家居领域发展的必然趋势，虽然市场推广才刚刚开始，但行业的竞争已经很激烈，光是宁波就有不下5家企业专门从事这方面开发。

面对中国庞大的需求市场，预计该行业将以年均19.8%的速率增长，在2015年产值达1240亿元。

二、技术分析

智能家居不同于数据通信网络，其要求低速率低成本的控制手段。

其仅需要设备的互联和控制，故应该考虑以下特点：

1.低成本家庭控制网络中控制的对象主要是大量的家电和传感器终端节点，这种较大规模的网络需要一个低成本的节点组网技术。

2.标准化需要各个家居组成部件之间互相通信，标准化的工作非常重要。

3.跨平台使用环境是一个家居环境，整个系统中有着形形色色的平。

4.自组织不能期望用户能够对系统进行复杂的配置和管理，网络环境下各种资源的自组织和协同工作显得十分重要。

5.可扩展性系统不做大的改动情况下，能够自动地进行软件升级和功能扩张。

6.嵌入式应用嵌入式技术是指设备通过嵌入式模块，而非PC系统，直接接入Intemet实现信息交互的过程，或者通过移动通信模块直接接入移动网络实现远程交互的过程。

这样避免了系统对传统PC机的依赖问题。

常用的短距离无线通信技术对比

通信距离

功耗

组网规模

安全性

成本

ZigBee

100-500m

低

<65000

高

低

Bluetooth

10-50m

中

点对点

高

低

433MHz

1km

低

<255

低

低

低功耗WiFi

50-100m

低

<20

高

高

433MHz的显著优势是无线信号的穿透性强、能够传播得更远。

但其缺点也是很明显的，就是其数据传输速率只有9600bps，只支持星型网络的拓扑结构，通过多基站的方式实现网络覆盖空间的扩展。

433Mhz网络中一般采用数据透明传输协议，因此其网络安全可靠性也是较差的。

WiFi的特点是数据传输速率高，并且支持“永远在线”功能。

这些功能带来的负面作用是功耗的增加以及可靠性及性能的降低。

蓝牙最近出了4.0标准，这种标准除了低功耗设计，通讯距离也达到2.4G无线信号的范围，但其缺陷依然明显，安全性、组网能力和抗干扰能力不够，没有网络自愈功能，蓝牙的泄密事件非常普遍，新标准的组网规模一般不能超过300个，另外蓝牙很容易被干扰。

ZigBee的特点是低功耗、高可靠性、强抗干扰性，布网容易，通过无线中继器可以非常方便地将网络覆盖范围扩展至数十倍。

其也可以从应用层的角度设计成类似于“永远在线”的模式，通过设置合理的“刷新时间间隔”参数来实现功能、功耗及可靠性之间的折中。

结合上表不难看出ZigBee在智能家居方面所具有的优势。

3、ZigBee性能指标

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。

根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。

其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。

主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

ZigBee协议从下到上分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。

物理层是协议的最底层，承负着和外界直接作用的任务，用于控制RF收发器的工作；MAC层负责设备间无线数据链路的建立、维护和结束，确认模式的数据传送；网络/传输层建立新网络，保证数据的传输，并对数据进行加密，保证数据的完整性；应用层根据服务和需求是多个器件之间进行通信。

应用层主要更具具体应用由用户开发。

1、超低功耗  

由于ZigBee技术传输速率低、传输数据量很小、内存使用量少，因此信号的收发时间很短，ZigBee节点可以在大部分时间内处于睡眠状态，当需要发送数据时，Zigbee可以在15ms或更短的时间内由睡眠状态进入工作状态，因此即使处于睡眠状态的节点也能做到低时延。

所以ZigBee节点非常省电，对于典型应用，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。

2、网络容量大  

 ZigBee低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件，而简化功能器件可以用于非常简单的应用。

一个ZigBee的网络最多包括有255个ZigBee网路节点，其中一个是主控设备，其余则是从属设备。

若是通过网络协调器，整个网络最多可以支持超过65000个ZigBee网路节点。

3、数据传输可靠  

ZigBee的媒体接入控制层（MAC层）采用talk-when-ready的碰撞避免机制，采用这种方法可以提高系统信息传输的可靠性。

同时，ZigBee网络层采用了网状网的组网方式，从源节点到达目的节点可以有多条路径，路径的冗余加强了网络的健壮性，如果原先的路径出现了问题，比如受到干扰，或者其中一个中间节点出现故障，ZigBee可以进行路由修复，另选一条合适的路径来保持通信这也是ZigBee加强其可靠性的一个重要特性。

4、低速率

ZigBee工作在20～250kbps的速率，分别提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

5、近距离

传输范围一般介于10～100m之间，在增加发射功率后，亦可增加到1～3km。

这指的是相邻节点间的距离。

如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

6、时延短  

ZigBee的响应速度较快，从睡眠状态转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需要30ms，既节约了能源又缩短了时间。

相对而言，Bluetooth需要3~10s，WiFi需要3s。

7、安全性  

 ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全性。

ZigBee加密算法采用AES-128可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

8、实现成本低  

由于对资源要求低、系统结构简单，产品的构成成本自然降低，再加上Zigbee协议为免专利费用，其大量市场的应用必然大幅度降低芯片的成本。

ZigBee网络设备类型和网络结构 

1、网络协调器：

包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最 大、计算能力最强。

发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。

2、 全功能设备（FFD）：

可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是精简功能 装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。

3、精简功能设备（RFD）：

RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。

 ZigBee网络拓扑结构包括星形，网状形和蔟状形等，一般应用较广泛的是网状结构。

设备类型

拓扑类型

可否成为协调器

通话对象

全功能设备（FFD）

星形、树形、网状

可以

任何ZigBee设备

精简功能设备（RFD）

星形

不可以

只能与协调器通话

星状图网状图树状图

网络协调器RFDFFD

4、市场分析

由上文可知，智能家居的概念早已出现，早几年的监控，门禁，安保系统，甚至于停车场系统发展迅速，市场广阔。

这些智能家居的雏形早已走近我们的生活之中。

而2014年这个概念被一再提及，智能家居的概念，终于开始走向了我们的家中，结合互联网使之焕发出新的活力。

2014年初，谷歌以32亿美元的报价收购了由托尼·法德尔创办的智能家居公司NestLabs，而托尼·法德尔是前苹果公司iPod部门主管，被誉为是iPod之父，因此Nest从创办之初就备受关注，随着谷歌宣布收购，Nest火了，智能家居也彻底被引爆了。

随后Apple虽然并未推出关于智能家居的硬件，但他提供一个标准+协议给你们，即HomeKit。

支持HomeKit后，iOS用户则可以通过HomeKit平台结合Siri去操控家庭的设备，未来HomeKit还可能开放给第三方App。

三星是安卓之王，智能手机和平板都大获成功。

它还有着强大的软硬件全产业链能力，硬件、渠道和市场能力比Apple还强，这些优势将让它在新硬件领域站在很高的起点。

其早已推出了智能电视、智能洗衣机、智能冰箱、智能电灯等多种产品。

除了单品外，三星还推出了专属的智能家居软件平台SmartHome，它一方面整合了用户的个人消费产品，另一方面整合了智能家居设备，今年上半年已进入部署阶段。

小米从手机开始发力，逐步推出了小米盒子，小米路由，现在开始做只能灯泡，插座等产品。

更和美的在智能家居、移动互联网领域多种模式合作，在智能系统平台、电商、物流和战略投资等领域进行对接。

值得注意的是，此次合作非排他性，双方给予对方“同等条件下的优先、首选权”，这意味着双方都可以再拉其他外援。

如今不难看出智能家居市场的广阔，在这些互联网企业和传统的家电企业中几乎都无法忽视智能家居的未来。

根据长江证券的研究，智能家居市场被称为下一个千亿元级别的市场。

5、实际应用

ZigBee最初预计的应用领域主要包括消费电子、能源管理、卫生保健、家庭自动化、建筑自动化和工业自动化。

随着物联网的兴起，ZigBee又获得了新的应用机会。

物联网的网络边缘应用最多的就是传感器或控制单元，这些是构成物联网的最基础最核心最广泛的单元细胞，而ZigBee能够在数千个微小的传感传动单元之间相互协调实现通信，并且这些单元只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以它的通信效率非常高。

这种技术低功耗、抗干扰、高可靠、易组网、易扩容，易使用，易维护、便于快速大规模部署等特点顺应了物联网发展的要求和趋势。

在工业领域：

利用传感器和ZigBee网络，使得数据的自动采集、分析和处

理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。

例如危险化学成分

的检测、火警的早期检测和预报、高速旋转机器的检测和维护。

这些应用不需

要很高的数据吞吐量和连续的状态更新，重点在低功耗，从而最大程度地延长

电池的寿命，减少ZigBee网络的维护成本。

在汽车上：

主要是传递信息的通用传感器。

由于很多传感器只能内置在飞转

的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测系统，这就要求内置的无线通信设备

使用的电池有较长的寿命（大于或等于轮胎本身的寿命），同时应该克服嘈杂

的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。

在精确农业：

传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依

靠人力监测作物的生长状况。

采用了传感器和ZigBee网络后，农业将可以逐

渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能

化和远程控制的设备来耕种。

传感器可能收集包括土壤湿度、氮浓度、pH值、

降水量、温度、空气湿度和气压等信息。

这些信息和采集信息的地理位置经由

ZigBee网络传递到中央控制设备供农民决策和参考，这样农民能够及早而准

确地发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量。

在家庭和楼宇自动化领域：

家庭自动化系统作为电子技术的集成被得到迅速扩展。

易于进入、简单明了和廉价的安装成本等成了驱动自动化居家和建筑开发和应用无线技术的主要动因。

未来的家庭将会有50~100个支持ZigBee的芯片被安装在电灯开关、烟火检测器、抄表系统、无线报警、安保系统、HVAC、厨房器械中，为实现远程控制服务。

在医学领域：

将借助于各种传感器和ZigBee网络，准确而且实时地监测病人的血压、体温和心跳速度等信息，从而减少医生查房的工作负担，有助于医生作出快速的反应，特别是对重病和病危患者的监护和治疗。

在消费和家用自动化市场：

可以联网的家用设备有电视、录像机、无线耳机、

PC外设（键盘和鼠标等）、运动与休闲器械、儿童玩具、游戏机、窗户和窗帘、

照明设备、空调系统和其它家用电器等。

近年来，由于无线技术的灵活性和易用

性，无线消费电子产品已经越来越普遍、越来越重要。

结合ZigBee和GPRS的无线数据传输网络

ZigBee智能交通控制系统无线通信方案

在实际应用中ZigBee自身的的缺点也很容易体现出来，在实际当中其通信距离并不足以使之与较远的机房通信，此时由两个解决方案，一是就近安放机房，但是成本较高；二是采用移动网络等远距离通信手段来传播信息。

实际使用中可以令ZigBee与GPRS的核心网络相连接，ZigBee的数据业务在到达PDN（Packet Date Network，分组数据网络）前，先经过Gb连接到GPRS核心网络。

这时，ZigBee网络协调器可以看作GPRS网络的一个MS。

ZigBee主协调器需要支持两种无线子系统来传输信令和用户数据：

第一个使用GPRS的RLC、MAC和物理层，第二个使用802.15.4的MAC和物理层。

这两种接入方式提供了两种传输PDU（Packet Date Unit，分组数据单元）的方法。

由于传感器网络中分布着多个路由节点，因此微控制器要利用软件中断实现对不同ID路由节点上传数据轮询扫描，使路由节点的数据可以有序、完整地通过微控制器处理后传出。

路由节点在此传感器网络中充当的是传感器节点和GPRS网络之间的网关。

6、现实问题

成本真的很低么？

目前ZigBee芯片出货量比较大的TI公司的CC2430，CC2530以及Freescale的MC1319X,MC1322X系列，其成本均在2~3美金左右，再考虑到其他外围器件和相关2.4G射频器件，BOM成本难以低于10美金，针对智能家居这种成本敏感而有需要大量节点的家用设备，其成本颇为尴尬。

通信真的稳定么？

目前国内Zigbee技术主要采用ISM频段中的2.5G频率，其衍射能力弱，穿墙能力弱。

家居环境中，即使是一扇门，一扇窗，一堵非承重墙，也会让信号大打折扣。

当然，有些厂家会使用射频功放，对2.5G信号进行放大，但是这样会造成额外的辐射污染，同时也和ZigBee低功耗，节能的初衷背道而驰。

组网真的有用么？

Zigbee技术的主要特点是支持自组网能力强，自恢复能力强，因此，对于井下定位，停车场车位定位，室外温湿度采集，污染采集等应用非常具有吸引力。

然而，对于智能家居的应用场景中，开关，插座，窗帘的位置一旦固定，一直不变，自组网的优点也就不复存在，但是自组网所耗费的时间和资源缺却依旧很高。

仅目前我们能接触到的ZigBee的产品来看，除了自组网的ZigBee产品，现在互联网时代的ZigBee产品更要能与手机连接，将实时数据传输到手机，接受手机的控制。

但是大部分的手机没有ZigBee的部件无法与之互联，这就要求了产品本身自带蓝牙或Wifi部件使之与手机之间互相连接，否则只能够再购买一个终端来专门控制，或者在家用路由内集成ZigBee部件。

无论那种方法都不简单，其成本都不会让用户觉得太低。

而目前完整的解决方案并不完美，传统家居和互联网直接的结合才刚刚开始，还有很长的路要走。

从企业角度来看现阶段推智能家居主要在概念层面，主要方式是建一些体验店，意在树立品牌形象，下一个阶段才是将产品全面智能化，并真正投入使用。

对于用户而言，目前的智能家居是不够成熟的，即便全面采用也不会有太理想的体验，因此在调查中，48.18%的网友表示目前愿意通过购买单品的方式来体验智能家居，39.15%的网友表示原因对家中某些局部进行小规模装修来体验智能家居，愿意对家居整体进行彻底重新装修的网友只占12.68%。

但如果考虑到未来组件智能家居，就有66.54%的网友表示愿意从一开始装修就考虑家居的智能化问题了。

现实中智能家居在未来还要面对五大问题：

1）标准需统一，品牌无所谓；2）智能家居应无需学习；3）价格会逐渐下降；4）实用性需着重考虑；5）安全是个大问题。

这五个问题必须注意考虑，否则不知智能家居会否因为其中一块短板而失败。

7、解决方案

ZigBee应用应该发挥自己的优点，各家厂商统一标准，预留接口。

在现阶段，无法提供一整套令人满意的方案，就应该在每个单品上提供足够好的控制及运算能力，首先是产品自身的控制，其次才是用户的远程控制及数据监控。

运用ZigBee优秀的组网能力，将各个产品间尽量互联，由控制中枢进行判断控制，使智能家居不是一个个独立的部分。

家用路由极可能成为一个重要的入口，通过路由远程控制家居是目前最为方便的方式，而传统路由和新兴路由都缺乏与ZigBee设备进行数据传输的功能，这是一个亟待解决的问题。

最为简单的开关，插座方面，这些产品在后期更改的或加装时会遇到各种各样的问题，实际我以为该将这些基础设备在建楼时便给予考量，包括后期设备的安防，预留接线及机房的空间。

而大型的家居，可以更为的智能，实际使用中那些花哨的控制功能，使用的并不一定频繁，但是基础的设置一定是人人都常用的。

所以通过智能家居之间的互联，家居之间的互动，对用户习惯的捕捉，才是更为重要的功能。