隨著電子信息技術和計算機網絡技術的發展，實現家庭信息化、網絡化是當今智能家居系統發展的新趨勢。住宅智能化是人類住宅的又一場新的革命，它能夠為人類提供更加輕松、有序、高效的現代生活方式，是未來居住模式的必然發展趨勢。隨之而來，智能家居系統也在逐漸成為一個新興的研究領域。
那么何謂智能家居系統呢？筆者個人認為所謂智能家居系統可以理解為利用電腦、網絡和綜合布線技術，通過家庭信息管理平臺將于家居生活有關的各種通訊設備、家用電器和家庭保安裝置經由家庭總線技術連接到一個家庭智能化系統上，從而形成一個有機的整體（數字家庭網絡系統）進行集中的或異地的監視、控制和家庭事務性管理，并保持這些家庭設施與住宅環境的和諧與協調。它所要實現的主要功能有：家庭安全防范系統包括門禁、多種感應器（紅外、窗磁、煙霧等）緊急按鈕及可視對講；信息速遞服務包括來訪信息、小區通知、天氣預報等公共信息查詢；家電、燈具設備控制和自動抄表。
由此我們可得出一般家庭網絡的通訊有以下幾個特點：1、傳輸的數據量比較小,因而無需太大的傳輸速度；2、信息的實時性要好，時延要短，尤其在安防信息上；3、網絡的容量要大，因家庭中各種設備、電器很多；4、無論采用何種方式建立家庭網絡，都必須保證數據傳送過程中的安全性和可靠性，不易被人竊取和破壞。
無線網絡技術的相關發展概況
在智能家居系統中，無線網絡技術應用于家庭網絡已成為勢不可擋的趨勢，這不僅僅因為無線網絡可以提供更大的靈活性、流動性，省去了花在綜合布線上的費用和精力，而且它更符合于家庭網絡的通訊特點，同時隨著無線網絡技術的進一步發展，也必將大大促進家庭智能化、網絡化的進程。
目前，無線網絡技術主要可分為射頻（RF）技術、IrDA紅外線技術、IEEE802.11b和IEEE802.11a協議技術、HomeRF協議、Zigbee技術、藍牙技術。其中射頻(RF)技術已很成熟，它的成本低廉，穿透性較好，但抗干擾能力差，安全性差，最致命的缺陷是它沒有統一的標準，各公司的通信協議都不一樣；紅外IrDA技術也比較成熟，但必須直線視距連接，限制太大，并不適合我們通常意義上的家庭網絡；IEEE802.11是IEEE最初制定的一個無線局域網標準，主要用于辦公室局域網和校園網，由于它在速率和傳輸距離上都不能滿足人們的需要，IEEE小組又相繼推出了IEEE802.11b和IEEE802.11a兩個新標準，但無論是IEEE802.11b還是 IEEE802.11a都是一種高速率傳輸協議，用在家居系統上有些大材小用，而且價格昂貴，它更適于辦公室的無線網絡；HomeRF無線標準是由HomeRF工作組開發的，旨在使計算機與其他電子設備之間實現無線通信的開放性工業標準，由于HomeRF網絡沒有密碼因而它的安全性較差，且它的抗干擾能力很差；而Zigbee技術和藍牙技術都屬于IEEE802.15協議，在一定的范圍內有重疊，但其各自的技術特點決定了其應用的側重點仍有很大的不同，如圖1，Zigbee作為一種低功耗、低數據速率、低成本的技術，更適合于家庭自動化、安全保障系統及進行低數據率傳輸的低成本設備之間，而藍牙更適合于語音業務及需要更高數據量的業務，如移動電話、耳機等。本文就Zigbee技術特點在下面的章節中作進一步的詳細描述，在第三部分中我們將介紹Zigbee技術簡介，包括物理層、MAC層協議標準、組網方式及其技術特點；在第四部分中我們將介紹Zigbee技術在我們開發的一款智能家居系統中的應用，并將其與藍牙技術相比較，進一步闡明Zigbee技術的優勢所在。
Zigbee技術簡介
ZigBee技術是主要應用于自動控制的一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術[1]。它主要工作在無須注冊的2.4GHz ISM頻段，數據速率為20～250kbit/s，最大傳輸范圍在10～75m，典型距離為30m。基于ZigBee的無線模塊由高度集成的天線、電池及頻率控制器組成。在以ZigBee構成的WPAN網絡中能支持高達254個用戶節點，外加一個全功能器件或主器件，可實現雙向通信。ZigBee主要通過降低收發信機的忙閑比及數據傳輸的頻率，降低幀開銷以及實行嚴格的功率管理機制，例如關機及睡眠模式等方式來降低設備的綜合功耗。IEEE802.15.4定義了兩個物理層標準，分別是2.4GHz物理層和868/915MHz物理層。兩個物理層都基于DSSS（Direct Sequence SpreadSpectrum，直接序列擴頻），使用相同的物理層數據包格式，區別在于工作頻率、調制技術、擴頻碼片長度和傳輸速率。ZigBee MAC層的設計則主要考慮到盡可能的降低成本，容易實現，可靠的數據傳輸，短距離操作及非常低的功耗。為此采用了簡單且靈活的協議。MAC層中有4種類型的幀，數據幀、標志幀、命令幀及確認幀。在組網方式上，ZigBee主要采用了三種組網方式，星型網、對等網及混合網。在星型網中，一個功能強大的主器件作為網絡協調者，位于網絡的中心，其它的主器件或從器件分布在其覆蓋范圍內。 由于網絡協調者定義了整個網絡的時分復用和多址接入方式， 因此星型網的控制和同步都比較簡單， 通常用在設備數量比較少的場合。對等網是由主器件連接在一起形成的，又可分為點對點和簇樹兩種結構。 星型網和對等網相結合則形成了混合網，各個子網內部以星型連接，其主器件又以對等的方式連接在一起。 信息流首先傳到同一子網內的主節點，通過網關節點到達更高層的子網，隨后繼續上傳直至到達中心采集設備。
2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作組。這個工作組致力于定義一種供廉價的固定、便攜或移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術。ZigBee正是這種技術的商業化命名。這個名字來源于蜂群使用的賴以生存和發展的通信方式，蜜蜂通過跳"Z"字形的舞蹈來分享新發現的食物源的位置、距離和方向等信息。在標準化方面，IEEE802.15.4工作組主要負責制定物理層和MAC層的協議，其余協議主要參照和采用現有的標準，高層應用、測試和市場推廣等方面的工作將由ZigBee聯盟負責。ZigBee聯盟成立于2002年8月，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司組成，如今已經吸引了上百家芯片公司、無線設備公司和開發商的加入。
在ZigBee網絡中傳輸的數據可分為3類，周期性數據如家庭中水、電、氣三表數據的傳輸; 間斷性數據如電燈、家用電器的控制即安防報警數據的傳輸; 還有反復性的低反應時間的數據如無線鼠標、游戲桿傳輸的數據。為了提高傳輸數據的可靠性，ZigBee采用了載波偵聽多址/沖突避免（CSMA/CA）的信道接入方式和完全握手協議。Zigbee的技術特點及其優勢 [4]如下：
<1>安全性：ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性。
<2>可靠性：采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息；
<3>成本低：模塊的初始成本估計在6美元左右，很快就將降到1.5美元到2.5美元之間，且ZigBee協議是免專利費的；
<4>省電：由于工作周期很短、收發信息功耗較低、并且采用了休眠模式，ZigBee技術可以確保兩節五號電池支持長達6個月到2年左右的使用時間，當然不同的應用功耗是不同的；
<5>網絡容量大：一個ZigBee網絡可以容納最多254個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡；
<6>時延短：針對時延敏感的應用做了優化，通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短。設備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值是15ms，活動設備信道接入時延為15ms。
應用實例
ZigBee技術已成功應用于我們所開發的智能家居系統中，在我們所開發的智園慧家DCA3000系統中，就是采用ZigBee技術來實現家庭內部的無線網絡通迅。
在這款系統中主要由家庭網關和網絡中各子節點組成，網絡中各子節點采用 ZigBee技術與家庭網關進行無線通訊，其中各子節點實現的功能分別為（水、電、氣）三表數據采集、安防報警數據采集、電燈及家用電器的控制。在家庭網關和每個字節點上我們都接有一個采用ZigBee技術設計無線網絡收發模塊通過這些無線網絡收發模塊在網關和子節點之間進行數據的傳送。之所以采用ZigBee技術除了上面所述的優點外，還因為這些應用不需要很高的數據吞吐量和連續的狀態更新，更為重要的是系統中子節點采用電池供電，因而需要極低的功耗且在通常狀態下應具有休眠狀態，而正是ZigBee所具備的，它的優勢之一就在于低功耗，從而最大程度的延長電池的壽命，減少網絡的維護費用，降低了系統的成本。在設計之初我們曾考慮應用藍牙技術，由于藍牙與ZigBee同屬于802.15協議且在技術特點上有許多相似點，因而我們在它們之間作一個比較（如圖3所示）：
特 性 ZigBee 藍牙
工作頻段 2．4GHz、868/915MHz 2．4GHz
數據速率 250kbit/s 1Mkbit/s
通信范圍 10~75m <10m
擴頻方式 DSSS FHSS
網絡最大節點數 255 8
通信時延 15ms >=3s
信道接入 CSMA/CA 輪詢-答復
糾錯機制 差錯檢測/重傳 前向糾錯
最低成本 20
藍牙的傳輸距離小于10米，這在大一點的家庭住宅中是一個極大的障礙，因而很難構成無線通信網絡，而ZigBee的最大傳輸范圍在10~75米，非常適合家庭網絡的建立；其次，在一個藍牙網絡中最多可容納8個節點，而ZigBee可容納255個節點，而一般每個家庭網絡中需要100~150個設備節點；最后，藍牙模塊的成本較高，這也成為其沒有廣泛應用的原因之一，此外藍牙的功耗與ZigBee相比要大很多，而ZigBee則成本低廉，而且其功耗極低。雖然藍牙的傳輸數據速率要大過ZigBee，但ZigBee的250kbit/s傳輸速率在家庭網絡中已足夠使用，因而最終我們選擇了ZigBee技術。
結論
采用ZigBee技術所架構的無線智能家居系統網絡，由于其低成本、低功耗，較遠的覆蓋范圍及它在全球范圍內的通用，將使其成為智能家居系統中的又一亮點，必將給現代智能家居系統帶來一場新的變革。