基于ZigBee協議的物聯網智能家居技術探討

張 偉（西安培華學院，陜西西安，710125）

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基于ZigBee協議的物聯網智能家居技術探討

張 偉
（西安培華學院，陜西西安，710125）

摘要：在物聯網技術的成熟與智能家居技術的普及，ZigBee作為最適合物聯網傳感設備之間通信的協議已經被越來越多的開發者們所青睞以及使用，但是在智能家居應用領域中，由于家庭用戶的需求以及家庭網絡的特點與工業領域的不同，ZigBee技術本身的不足問題也日益凸顯，本文重點對該技術在智能家居應用中的優缺點進行了分析與討論，為智能家居產品的開發以及ZigBee協議的設計者們提供一些思路。

關鍵詞：ZigBee協議；物聯網；智能家居

0　引言

物聯網（Internet of Things），是指通過射頻識別等各種信息傳感設備，按協議的約定，把物品通過互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。其主要特征是：第一，以互聯網為核心，建立在互聯網基礎之上的一種物物相聯的網絡，是互聯網技術的擴展；第二，將傳統的人與人之間的交互擴展到人與物、物與物的交互上；第三，傳感器技術是實現物物相聯與信息交換的主要技術之一。

智能家居（smart home），是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。在智能家居設備的網絡通信技術領域，ZigBee技術是可以與WIFI技術抗衡的通訊技術之一。

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議，ZigBee通信協議以其低功率、低速率、低復雜度、低成本、雙向無線通信等特點成為了某些工業設備通訊領域的首選。ZigBee通信協議使用工業科學醫療（ISM）頻段包括915MHz（美國）、 868MHz（歐洲）、2. 4GHz（全球），這三個頻帶擴頻都使用直接序列擴頻（DSSS），但從比特到碼片的變換差別較大。調制方式都用了調相技術，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，在發射功率為0dBm的情況下，ZigBee在室內通常能達到30-50米的作用距離，在室外空曠地帶甚至可以達到400米（以TI CC2530不加功率放大為例）。

1　ZigBee技術的優缺點分析

目前，ZigBee協議在井下定位，停車場車位定位，室外溫濕度采集，污染采集等領域的通信系統開發中有著較為廣泛的應用，其優點主要有以下幾點：

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

（2）保密性好：ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，采用通用的AES-128加密算法，其長達128位的密碼為ZigBee信號傳輸的保密性提供了安全保障；

（3）傳輸速度快：ZigBee傳輸數據多采用短幀傳送，因此，傳輸速度快，實時性強；

（4）可擴展性強：ZigBee組網容易，自恢復能力強，因此，便于在智能家居中進行擴展，增加新設備；

但是由于家庭環境與工業環境的不同以及家庭用戶在組網的特點與需求上與工業用戶的差別，ZigBee技術在智能家居的應用中，也存在一些缺點，主要有以下幾點：

（1）目前國內ZigBee技術主要采用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，智能家居設備通常安置在不同的房間中，隔墻較多導致設備間信號傳輸質量

得不到保障，所以可能產生信號較弱等問題，如果使用射頻功放器，對2.4GHz的信號進行放大，那么不但會造成輻射污染問題，同時會增加功耗，降低待機時間，使得ZigBee技術的低功耗與節能特點得不到有效體現。此外，ZigBee技術所使用的2.4GHz頻率非常容易與家庭中普遍使用的WIFI、藍牙頻段產生干擾，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重。而ZigBee技術在美國和歐洲普遍采用的915MHz、869MHz頻率的信道也容易受射頻的干擾；

（2）家庭環境中的智能家居設備位置通常比較固定，也一般不會移動，雖然ZigBee技術具有自組網的優點，但這一優點在家居環境中得不到體現，相反，自組網技術所消耗的時間和資源卻影響了設備間通信的效率，也影響了整個家庭局域網的通信效率；

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

（4）家庭環境中的智能家居設備數量不多，通常幾個到幾十個節點不等，再多的節點和設備數量也會增加網絡的復雜度以及用戶操作的難度，雖然ZigBee技術支持高達65000個節點，但這一特點并不能為智能家居網絡的構建提供有效的幫助；

（5）在物聯網與大數據日益成熟的今天，通信設備之間對速率的要求也越來越高，ZigBee技術的低速率特征無法滿足物聯網大數據的并發要求，使其應用范圍進一步受限；

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

所以，ZigBee技術雖然具有抗干擾力能力強、保密性好、傳輸速度快、可擴展性強的優點，但其較高的使用成本和差強人意的穿墻能力以及對家庭用戶而言沒有意義的自組網和大容量優勢，阻礙了ZigBee技術在智能家居產品中的應用和推廣。

2　結論

ZigBee技術既有WIFI、藍牙等技術所不能比擬的優點，也有在家庭環境中應用受限的特點和無法滿足用戶需求的缺點，靈活運用ZigBee技術，結合WIFI和藍牙通信技術，發揮其優點，克服其缺點，才能夠更好地為用戶提供高性價比，高可靠性的智能家居產品，從而引領智能家居市場進入新紀元。

參考文獻

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［5］蘇書.zigbee技術的真實與謊言.http：//tieba.baidu.com/ p/2742951911？pn=1

課題項目：本項目為西安培華學院2015年校級科研課題，項目名稱：大數據背景下的物聯網智能家居研究

項目編號：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