随着电子信息技术和计算机网络技术的发展，实现家庭信息化、网络化是当今智能家居系统发展的新趋势。住宅智能化是人类住宅的又一场新的革命，它能够为人类提供更加轻松、有序、高效的现代生活方式，是未来居住模式的必然发展趋势。随之而来，智能家居系统也在逐渐成为一个新兴的研究领域。
那么何谓智能家居系统呢？笔者个人认为所谓智能家居系统可以理解为利用电脑、网络和综合布线技术，通过家庭信息管理平台将于家居生活有关的各种通讯设备、家用电器和家庭保安装置经由家庭总线技术连接到一个家庭智能化系统上，从而形成一个有机的整体（数字家庭网络系统）进行集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。它所要实现的主要功能有：家庭安全防范系统包括门禁、多种感应器（红外、窗磁、烟雾等）紧急按钮及可视对讲；信息速递服务包括来访信息、小区通知、天气预报等公共信息查询；家电、灯具设备控制和自动抄表。
由此我们可得出一般家庭网络的通讯有以下几个特点：1、传输的数据量比较小,因而无需太大的传输速度；2、信息的实时性要好，时延要短，尤其在安防信息上；3、网络的容量要大，因家庭中各种设备、电器很多；4、无论采用何种方式建立家庭网络，都必须保证数据传送过程中的安全性和可靠性，不易被人窃取和破坏。
无线网络技术的相关发展概况
在智能家居系统中，无线网络技术应用于家庭网络已成为势不可挡的趋势，这不仅仅因为无线网络可以提供更大的灵活性、流动性，省去了花在综合布线上的费用和精力，而且它更符合于家庭网络的通讯特点，同时随着无线网络技术的进一步发展，也必将大大促进家庭智能化、网络化的进程。
目前，无线网络技术主要可分为射频（RF）技术、IrDA红外线技术、IEEE802.11b和IEEE802.11a协议技术、HomeRF协议、Zigbee技术、蓝牙技术。其中射频(RF)技术已很成熟，它的成本低廉，穿透性较好，但抗干扰能力差，安全性差，最致命的缺陷是它没有统一的标准，各公司的通信协议都不一样；红外IrDA技术也比较成熟，但必须直线视距连接，限制太大，并不适合我们通常意义上的家庭网络；IEEE802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于办公室局域网和校园网，由于它在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，IEEE小组又相继推出了IEEE802.11b和IEEE802.11a两个新标准，但无论是IEEE802.11b还是 IEEE802.11a都是一种高速率传输协议，用在家居系统上有些大材小用，而且价格昂贵，它更适于办公室的无线网络；HomeRF无线标准是由HomeRF工作组开发的，旨在使计算机与其他电子设备之间实现无线通信的开放性工业标准，由于HomeRF网络没有密码因而它的安全性较差，且它的抗干扰能力很差；而Zigbee技术和蓝牙技术都属于IEEE802.15协议，在一定的范围内有重叠，但其各自的技术特点决定了其应用的侧重点仍有很大的不同，如图1，Zigbee作为一种低功耗、低数据速率、低成本的技术，更适合于家庭自动化、安全保障系统及进行低数据率传输的低成本设备之间，而蓝牙更适合于语音业务及需要更高数据量的业务，如移动电话、耳机等。本文就Zigbee技术特点在下面的章节中作进一步的详细描述，在第三部分中我们将介绍Zigbee技术简介，包括物理层、MAC层协议标准、组网方式及其技术特点；在第四部分中我们将介绍Zigbee技术在我们开发的一款智能家居系统中的应用，并将其与蓝牙技术相比较，进一步阐明Zigbee技术的优势所在。
Zigbee技术简介
ZigBee技术是主要应用于自动控制的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术[1]。它主要工作在无须注册的2.4GHz ISM频段，数据速率为20～250kbit/s，最大传输范围在10～75m，典型距离为30m。基于ZigBee的无线模块由高度集成的天线、电池及频率控制器组成。在以ZigBee构成的WPAN网络中能支持高达254个用户节点，外加一个全功能器件或主器件，可实现双向通信。ZigBee主要通过降低收发信机的忙闲比及数据传输的频率，降低帧开销以及实行严格的功率管理机制，例如关机及睡眠模式等方式来降低设备的综合功耗。IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。两个物理层都基于DSSS（Direct Sequence SpreadSpectrum，直接序列扩频），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。ZigBee MAC层的设计则主要考虑到尽可能的降低成本，容易实现，可靠的数据传输，短距离操作及非常低的功耗。为此采用了简单且灵活的协议。MAC层中有4种类型的帧，数据帧、标志帧、命令帧及确认帧。在组网方式上，ZigBee主要采用了三种组网方式，星型网、对等网及混合网。在星型网中，一个功能强大的主器件作为网络协调者，位于网络的中心，其它的主器件或从器件分布在其覆盖范围内。 由于网络协调者定义了整个网络的时分复用和多址接入方式， 因此星型网的控制和同步都比较简单， 通常用在设备数量比较少的场合。对等网是由主器件连接在一起形成的，又可分为点对点和簇树两种结构。 星型网和对等网相结合则形成了混合网，各个子网内部以星型连接，其主器件又以对等的方式连接在一起。 信息流首先传到同一子网内的主节点，通过网关节点到达更高层的子网，随后继续上传直至到达中心采集设备。
2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作组。这个工作组致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。ZigBee正是这种技术的商业化命名。这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳"Z"字形的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。在标准化方面，IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准，高层应用、测试和市场推广等方面的工作将由ZigBee联盟负责。ZigBee联盟成立于2002年8月，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。
在ZigBee网络中传输的数据可分为3类，周期性数据如家庭中水、电、气三表数据的传输; 间断性数据如电灯、家用电器的控制即安防报警数据的传输; 还有反复性的低反应时间的数据如无线鼠标、游戏杆传输的数据。为了提高传输数据的可靠性，ZigBee采用了载波侦听多址/冲突避免（CSMA/CA）的信道接入方式和完全握手协议。Zigbee的技术特点及其优势 [4]如下：
<1>安全性：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。
<2>可靠性：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；
<3>成本低：模块的初始成本估计在6美元左右，很快就将降到1.5美元到2.5美元之间，且ZigBee协议是免专利费的；
<4>省电：由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式，ZigBee技术可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间，当然不同的应用功耗是不同的；
<5>网络容量大：一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络；
<6>时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms。
应用实例
ZigBee技术已成功应用于我们所开发的智能家居系统中，在我们所开发的智园慧家DCA3000系统中，就是采用ZigBee技术来实现家庭内部的无线网络通迅。
在这款系统中主要由家庭网关和网络中各子节点组成，网络中各子节点采用 ZigBee技术与家庭网关进行无线通讯，其中各子节点实现的功能分别为（水、电、气）三表数据采集、安防报警数据采集、电灯及家用电器的控制。在家庭网关和每个字节点上我们都接有一个采用ZigBee技术设计无线网络收发模块通过这些无线网络收发模块在网关和子节点之间进行数据的传送。之所以采用ZigBee技术除了上面所述的优点外，还因为这些应用不需要很高的数据吞吐量和连续的状态更新，更为重要的是系统中子节点采用电池供电，因而需要极低的功耗且在通常状态下应具有休眠状态，而正是ZigBee所具备的，它的优势之一就在于低功耗，从而最大程度的延长电池的寿命，减少网络的维护费用，降低了系统的成本。在设计之初我们曾考虑应用蓝牙技术，由于蓝牙与ZigBee同属于802.15协议且在技术特点上有许多相似点，因而我们在它们之间作一个比较（如图3所示）：
特 性 ZigBee 蓝牙
工作频段 2．4GHz、868/915MHz 2．4GHz
数据速率 250kbit/s 1Mkbit/s
通信范围 10~75m <10m
扩频方式 DSSS FHSS
网络最大节点数 255 8
通信时延 15ms >=3s
信道接入 CSMA/CA 轮询-答复
纠错机制 差错检测/重传 前向纠错
最低成本 20
蓝牙的传输距离小于10米，这在大一点的家庭住宅中是一个极大的障碍，因而很难构成无线通信网络，而ZigBee的最大传输范围在10~75米，非常适合家庭网络的建立；其次，在一个蓝牙网络中最多可容纳8个节点，而ZigBee可容纳255个节点，而一般每个家庭网络中需要100~150个设备节点；最后，蓝牙模块的成本较高，这也成为其没有广泛应用的原因之一，此外蓝牙的功耗与ZigBee相比要大很多，而ZigBee则成本低廉，而且其功耗极低。虽然蓝牙的传输数据速率要大过ZigBee，但ZigBee的250kbit/s传输速率在家庭网络中已足够使用，因而最终我们选择了ZigBee技术。
结论
采用ZigBee技术所架构的无线智能家居系统网络，由于其低成本、低功耗，较远的覆盖范围及它在全球范围内的通用，将使其成为智能家居系统中的又一亮点，必将给现代智能家居系统带来一场新的变革。