1 引言
这些年来，随着国内社会经济的飞速发展，人民生活水平也在日益增长，人们对家庭环境的要求已不满足于单纯的看电视、上网，家居设施种类和数量越来越多，智能家居的理念也越来越被广大人民所接受，大家对家居环境的舒适性、便捷性、智能化程度和保密安全等方面都有了更高的要求，这就对家庭网络的承载能力提出了新的挑战。 2 家庭网络发展
家庭网络，顾名思义就是服务于家庭内部使用需求的网络平台，它将家庭内部的多个设备通过有线或者无线的方式连接在一起，组成一个整体统一管理。一直以来，它随着家庭业务需求发展也在不断的发展。 2.1 家庭业务的发展
家庭传统的基本业务主要有视频业务和宽带业务。视频业务主要通过机顶盒（STB）与广电等运营商的网络连接，接收电视直播、视频点播（VOD）、卡拉OK等服务；宽带业务主要通过各种“猫”（如广电的CM、电信的光猫等）接入广电、电信、移动等宽带运营商网络，接入互联网，享受互联
网服务（网页、通信、视频、游戏等）。
随着家居设备的发展，家庭内逐
步引入了对智能家居的使用需求，尤其
是最近几年，随着物联网技术的快速发
展，智能家居设备有了飞速地增长。家
庭网络覆盖内容已经从传统的看电视、
电脑上网功能发展为支持多媒体和智
能家庭的综合管理平台。未来的家庭网
络必然是网络化和信息化高度融合的
综合体，从外部接入高速高带宽的通信
线路，内部则通过控制器掌控家庭内部
所有的各式家用设施，远程使用联网设
备接入互联网控制家居设备，比如提前
打开空调、地暖调整温度、湿度；提前
打开客厅电灯提供照明；提前打开电视
调到需要看的电视频道；或者远程观察
家中摄像机拍摄的画面、家居内外环境
监测报警等。
2.2 家庭网络结构的发展
各网络运营商传统的网络结构
主要分为骨干网和接入网两层，用户
家庭内部的网络一般只作为一个网络
等），为用户提供的服务也较为单一。
在家庭网络新模型下，网络结构又增
加了一层，变为三层模型，即用户家
庭内部的网络也作为一个独立的内部
网络进行设计。家庭网络有有线和无
线两种方式，有线方式最常用的是同
轴线和五类线，无线方式最常用的是
Wi-Fi和蓝牙，内部网络连接从有线
往无线发展是必然趋势。
目前，智能家居设备日益增多，
种类繁杂，接口模式和网络协议又非常
复杂，如果没有统一的网络标准，把它
们接入同一张家庭网络内部会非常困
难。在这种趋势下，传统家庭网络已然
无法支撑智能家居方面的发展需求，而
一些较为理想的智能家居系统成本又
很高，这时就需要在家庭网络中引入更
加低成本、高效率的通信技术，ZigBee
技术就是一种较为理想的选择。
3 ZigBee技术发展
3.1 ZigBee技术简介
ZigBee通常译做“紫蜂”，它基
于IEEE 802.15.4标准，是一种模拟蜜
蜂之间的交流方式而研发出来的新型
短距离无线网络通信技术，主要用于
自动控制、监控、远程控制等领域，
可以内嵌至各种设备内部。与传统的
Wi-Fi和蓝牙相比，ZigBee具备多种
优势特点，因此ZigBee一直以来被普
遍认为是一种能替代Wi-Fi和蓝牙，
广泛应用于智能家庭网络的无线通信
ZigBee技术在家庭网络中的应用研究
唐华 谢锐 江苏省广电有线信息网络股份有限公司南京分公司
摘要：随着人民生活水平的日益提高，人们对生活质量的要求也不断提高，智能家居开始逐步走入人们的生活中，ZigBee技术也就随之一起走入越来越多的家庭网络中。本文从家庭网络和ZigBee技术的发展讲起，就
ZigBee技术在家庭网络中的实际应用进行了分析和研究。
关键词：ZigBee 家庭网络 智能家居
102《广播电视网络》 2021年第2期 总第374期
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《广播电视网络》 2021年第2期 总第374期
技术。ZigBee 的优势主要可归纳为“四低一高”。“四低”包括传输速率低，专门为智能家居这类低速率
传输应用研发；功耗低，它的能耗非常低，比Wi-Fi 和蓝牙低了好几倍，在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池就可持续工作6个月以上，可以有效节约使用成本；研发成本低，它的协议很简单，又是一种开放的、免费的通信协议，因此开发成本相对较低；延时低，启动搜索网络设备延迟
仅为30ms，设备从休眠中激活延迟仅为15ms，满足实时性要求。“一高”是指网络容量高，它支持星型、树形和网状三种拓扑方式，并且支持多级节点管理，最多可以容纳6.5万个网络设备。另外，它还具备较好的网络自组性和自愈性。目前，ZigBee 已经发展到3.0版本，它进一步简化了网络设备和服务的选择过程，并且统一了行业内原先不同的应用层协议标准，解决了它们之间的互联互通问题，改变了以往各个厂家各自为战的混乱局面，使得ZigBee 网络中的设备的组网更加方便快捷，业务更加统一。通过相互连接、相互通信，万物都能连在一起，有力推动了物联网的发展，因此ZigBee 技术也被广泛应用于智能家庭网络中。3.2 常用无线技术对比目前，常用的无线传输技术主要为Wi-Fi、蓝牙、ZigBee，其主要性能参数对比如表1所示。从表1可以直观的看出三种技术各有优缺点，传输距离Wi-Fi ＞ZigBee ＞蓝牙、传输速度Wi-Fi ＞蓝
牙＞ZigBee、功耗Wi-Fi ＞蓝牙＞
ZigBee、成本Wi-Fi ＞ZigBee ＞蓝牙，但可容纳的网络节点数量则是ZigBee 遥遥领先。Wi-Fi 是目前应用最为广泛的无线技术，虽然使用方便，传输速度快，当前的用户最多，但却存在成本高、功耗
大、安全性差、网络节点容量太少等诸多明显的弊端，严重制约其发展前景；蓝牙技术具有功耗较低、成本较低、性能稳定的优点，但其缺点是传输距离太短、网络节点容量太少，导致其适用面较小；而ZigBee 技术具有功耗低、成本低、传输距离大的优势，最大优势是网络节点容量巨大，缺点是传输速度慢，与物联网的发展需求契合度最高。综合考虑，在家居设备种类日益增多、功能日益复杂的物联网时代，有着低成本、低速率、高容量等显著优势的ZigBee 技术更符合未来家庭网络的应用场景需求。4 基于ZigBee 技术的 家庭网络应用4.1 网络架构搭建家庭网络主要为家居设备服务，其主要目的是实现对家居设备的控制功能以及设备间的相互通信功能和远程监控等功能，并建立起外界网络（互联网）的通信通道。因此，在家庭网络构建前，我们首先要对家庭网络的外部和内部网络及涉及到的相关家居、网络设备等进行仔细的研究和设计，了解它们之间的相互关系、各自功能、覆盖范围等，然后针对它们的类型、特点、安装位置等具体情况整体考虑，合理设计网络架构。如图1就展示了一种较为典型的基于ZigBee 技术设计的家庭网络结构新模型。
表1 常用无线传输技术主要性能参数对比
类别Wi-Fi 蓝牙ZigBee 频段 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 传输距离100~300m 2~30m 50~300m 传输速度300Mbps 1Mbps 250kbps 最大网络节点16个7个
65000个
功耗10~50mA 20mA 5mA 安全性低高中成本高低较低
图1 基于ZigBee 技术的家庭网络结构图
在整个家庭网络中，家庭网关设备（目前一般家庭使用的均为无线路由器）是整个网络的核心，它既是家庭网络连接外部Internet网络和内部ZigBee网络的桥梁，又是家庭内部多个网络相互通信的枢纽。通过家庭网关设备，既可以对家庭内部的ZigBee 网络的运行情况进行管理和上传，同时又可沟通外部网络，在需要家庭设备工作时，将远程控制系统（如手机APP、远程PC、平板等）发出的控制信号传送至ZigBee网络中相应的终端设备，完成相应具体操作。
家庭网关下面的ZigBee网络几乎覆盖整个家庭网络的内部，它主要由协调器、路由器节点、终端节点三部分组成。本文介绍的ZigBee网络采用树形和网状结合方式，中间层的路由器节点除了与上层协调器、下层终端节点互联之外，内部平级的路由器节点也有部分互联，这样的好处是更好地保证了网络自组性和自愈性能，减少节点丢失率，保证网络通信畅通，同时也保证了网络的层级分明，复杂程度不高。ZigBee网络中最核心的是协调器，它是一种全功能型的设备，具有整个网络中的最高权限，是整个ZigBee网络的建立者和维护者，一张网中有且只有一个协调器。它负责ZigBee网络的组建、网络地址的分配、与家庭网关的通信工作，以及对路由器节点、终端节点的管理和控制工作。路由器节点作为终端节点的汇聚点，是一种支持关联的设备，主要负责与协调器、终端节点之间的通信中转工作，
其本身也可以作为一个终端节点来使用。终端节点是整个ZigBee网络的末端，是网络中的最后一个点，主要用于执行具体的操作功能，其部署在各个家居设备处并与之互联，用于实时采集、上传设备运行状态，并根
据控制系统的指令对设备进行相应控
制操作。该网络模型中终端节点既可
以通过路由器节点再与协调器连通，
也可以直接与协调器互联，较为灵活。
此外，为了更好的对整个系统进
行管控，同时提升用户的使用体验，我
们可以在手机、PC、平板等平台开发
相应的软件系统，并与家庭网络互联，
将整个家庭网络中所有家居设备纳入
系统统一管理。这样一来，用户就可以
随时随地通过手机等平台全局性地查
看所有家居设备的运行状态、历史数据
等，并随时对之进行相应控制。
4.2 应用功能实现
目前，家庭用户最常用的智能家
居类的应用功能一般可以分为控制类
功能、监控类功能和安防类功能三类。
4.2.1 控制类功能
家庭网络中最常用的是实现对电
视、音响、空调等电器和灯光的控制
功能，这样既可以有效提高家用电器
的使用效率，也可以切实提高用户的
使用体验，这也是智能家居最基础、
最核心的功能。智能家居时代用户早
已不满足傻瓜式的手动开关操作，他
们希望在回家之前就可以通过控制系
统远程查看家中电器情况，然后对需
要打开或调整的电器下达相应指令，
完成相应操作，比如打开空调调整温
度、打开电灯、电视等，使其一回家
就能享受舒适的家庭环境；或者入户
后通过连接ZigBee网络的语音控制器
发出语音指令，控制系统自动完成操
作，如调节灯光亮度、开关窗帘等。
4.2.2 监控类功能
通过家庭网络建立起一套监控系
统，对家居内外重要地区的周边环境
进行实时监控，实时采集、上传音频、
视频数据，并可以长久保存在网络存
储设备上，以便后期随时调取查看。
用户不在家也可以远程查看房屋内外
的情况，掌握家里的实时情况，比如
用户长时间在外出差、旅游，或者家
里只有老人小孩时，就需要时不时关
注其状态，以便及时发现异常情况，
及时消除隐患。
4.2.3 安防类功能
安防功能主要作用就是保障房屋
及室内的人身、财产安全。通过ZigBee
网络终端节点与家里合适位置预先部
署好的烟雾、氧气等探测器进行互联通
信，就可以在家中出现失火或煤气泄漏
时，及时启动报警功能，发出警报并通
知房屋主人，另外还可以通过系统实现
自动拨打报警电话、打开窗户等操作，
有效减少用户损失。如果家中有人非法
进入，也可以通过门禁、红外等发出警
报，并通过监控实时录像保存证据，同
时报警并通知主人。
5 结束语
如今，智能家居的概念已经越来
越深入到每个用户家庭中，本文介绍
了一种基于ZigBee技术的家庭网络解
决方案，各大厂商也在逐步推出基于
ZigBee技术的智能家居产品，其应用
前景十分广阔。未来，随着ZigBee技
术的稳步发展、家庭网络的日趋完善，
智能家居将逐步走进千家万户，解决
家庭问题，提升家居体验。
参考文献
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实现[J].科技风,2019(18):97.
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远程监测系统[J].电子设计工程,2017,25(16):
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智能校园中的应用研究[J].教育教学论坛,
2019,1(1):264-265.RTN
104《广播电视网络》 2021年第2期 总第374期
