赵辰晖

摘要：近年来，随着物联网概念的升温，越来越多的人也把目光投向了基于物联网的智能家居。然而，技术标准不一致、联网安全、可选产品有限、成本高昂等都成了物联网应用的障碍。为此，对目前智能家居中所应用的不同无线网络接入技术做出综合分析比较，提出了相应的认识和思考。

关键词：物联网；智能家居；无线网络；ZigBee；WiFi；蓝牙；6LoWPAN

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.01.085

1物联网

“物联网”的概念来自美国麻省理工学院的师生们开发出的RFID技术（网络无线射频识别系统）。这种技术的产生，使得日常的物品进入互联网成为了可能。最常见的一些RFID应用，如居民二代身份证、公交卡、门禁卡等等，这些卡内设有RFID芯片，通过刷卡完成信息识别和交互。通过各种信息传感设备、装置和技术，采集声、光、电、热、力、生化、位置等各种人们所需的信息，结合互联网形成一个个网络，最终实现物体与物体、物体与人之间的连接互通（Internet Of Things）。

当前，物联网的组成被主要被分成五个层次：感知层、接入层、互联网层、服务管理层和应用层。感知层，通过RFID、各种传感器、红外二维码技术完成信息收集；接入层，通过Wi-Fi、ZigBee、蓝牙等无线网络协议完成信息传输；应用层和服务管理层，通过网络管理、云计算、应用集成等等设计的信息处理系统，分别完成在不同场景下的应用。

2智能家居

智能家居就是将原本“静止”且需要人用物理按钮来操控的普通家居通过内部嵌入射频识别芯片（RFID）、全球定位系统（GPS）、红外线感应器、气体感应器、激光扫描器等传感设备，并且通过与之对应的协议连接至互联网，变成能“主动”且可远程按计划操控的智能家居。随着近年来信息化的高速发展、通信的自由化、业务量的高速增长以及人们对工作、生活环境的安全性、舒适性以及高效性要求的提高，社会对智能家居的需求大大增加。

现代智能家居系统一般可以分为内网、外网和网关三个部分。其中内网是负责连接各种家电和其他设备的局域网；外网一般是小区局域网、Internet等；而网关的作用是连接内网和外网，实现外网对内网的监测和控制。

一个基于物联网的智能家居系统，首先要选择合适的无线接入网络，智能家居系统对无线网络的主要要求是低功耗、使用寿命长、数据传输可靠等要求。目前常见的无线网络有ZigBee、WiFi、蓝牙、6LoWPAN等。

3现阶段主要无线技术的应用

3.1ZigBee

ZigBee是一个基于IEEE802.15.4的通信协议，IEEE802.15.4本身是用于处理物理层和底层MAC层的协议。IEEE802.15.4工作组正式成立于2000年12月，致力于一种提供便携、移动或固定设备使用的低成本、低复杂度、低速率、低功耗的无线连接技术。

IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是24GHz物理层和868/915MHz物理层，二者都是用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、扩频码长、调制技术和传输速率。2.4GHz频段是全球统一的自由ISM频段，这有助于ZigBee设备的推广和使用；868MHz和915MHz分别是美国和欧洲的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。

Zigbee收发模块使用了2.4GHz的直序扩频技术，和一般的频移键控，幅移键控和跳频数传电台相比，具有更强的抗干扰能力；ZigBee协议对网络层和对应的API接口做了标准化的定义；ZigBee可以对数据是否完进行检查，并且拥有鉴别用户身份的功能，采用通用的AES-128加密算法，算法中长达128位的密码保障了通过ZigBee传输的信号的机密性；通过ZigBee传输的数据大多采用短帧的传送方式，实时性很强，传输速度也非常快；ZigBee组网容易，自恢复能力强，再加上低成本和小型设备对无线网络的带宽要求不是很高，因此，ZigBee对智能家居中的扩展，增加新设备非常的友好。

在拥有上述优点同时，ZigBee技术也存在一些问题。现阶段，国内应用的ZigBee技术主要还是在24GHz ISM频段的范围内，这个频段的信号衍射能力弱，穿墻能力弱。在家居的环境里，即使是一扇窗，一扇门或者是一堵墙都能让信号的强度衰减很多。虽然我们能够通过射频功放的方式，对2.4GHz频段的信号进行放大处理，但这样又造成了大量且不必要的辐射污染，这种方式和ZigBee本身节能、低功耗的初衷相悖。

Z-wave同样也是一种短距离无线传输的技术，它和ZigBee一样源自无线射频，都属于硬件协议和架构上的技术。Z-Wave是由一家名为Zensys的丹麦公司主导的一种无线组网规则。Z-wave Alliance（Z-wave联盟）虽然看起来不如ZigBee联盟规模大，但是其中的成员（厂商）都已经在智能家居的领域拥有成熟的产品，Z-Wave联盟已经获得来自全球各个国家和地区的160多家国际知名公司的支持。在美国，Z-Wave可以使用的频段是915MHz；而在欧洲，可以使用的频段是868.42MHz；915MHz和868.42MHz属于国际无线规则中的一区和二区的ISM频段，而在我国这两个频段都非民用，因此很可能在中国禁止使用。

3.2蓝牙

蓝牙（Bluetooth）技术始于爱立信公司的1994方案，它开始是研究在移动电话和其它配件间进行低功耗、低成本无线通信连接的方法。发明者希望为设备间的通讯建立一套统一规则，以解决用户间移动电子设备互不兼容的问题。每个蓝牙设备可同时维护8个链接，可以将每个设备配置为不断向附近的设备发送其存在的通知，以便创建连接。另外，可以对两个设备之间的连接设置密码保护，防止被其它设备接收。

蓝牙的标准是IEEE802.15.1，也工作在无需许可的ISM2.4GHz频段，最高速度可达723.1kb/s。为了避免干扰可能使用2.4GHz的其他协议，蓝牙协议将该频段划分成79个频道（带宽为1MHz），当检测到与其它信号冲突时自动跳转到其他频道，每秒的频道转换次数可达1600次。

近年来蓝牙的发展也比较迅猛，2015年年初发布的蓝牙4.2，在数据传输速率和传输距离的提高与错误率的降低上有了很大进步。而蓝牙技术联盟于2016年6月提出第五代蓝牙技术标准，蓝牙5的理论接收距离最远可达300米，在实际使用中的收发距离也可以达到120米，四倍于蓝牙4.2技术。

3.3WiFi

WiFi（Wireless Fidelity，无线保真），从1997年无线局域网标准802.11发布以来，在众多业界领先公司组成的WiFi联盟的大力推动下，发展迅猛。目前WiFi的使用范围非常广泛，基于WiFi技术的智能家居产品也最为常见，其优势在于传输速率快，且产品成本低。对于用户来说，基于WiFi的智能家居组合最为便捷，购买设备后可以自己进行组网。

在智能家居中使用WiFi也有一些显著的缺点。首先，安全性非常低是WiFi为最严重的问题，无线信号也不是很稳定；其次，WiFi的功耗还是很高的，这也限制了它在智能家居领域的应用；再次，WiFi组网能力低，扩展空间受限制。

3.46LoWPAN

6LoWPan是基于IPV6的低速无线个域网标准，即IPV6 over IEEE 802.15.4，于2004年提出。与ZigBee相比，都是基于IEEE 802.15.4 标准，都具有低功耗，低复杂度度，安全性强（都采用AES128加密标准）等优点。

提起物联网我们可能很容易联想到IPV6，IPV6是现行版本IP协议（IPV4）的下一代协议。由于网络地址资源有限成为了IPV4所面临的非常严峻的问题，这在很大程度上限制了互联网的发展和应用。IPV6有128位地址，IPV6的使用，不仅能解决网络地址资源数量的问题，而且也解决了多种设备连入互联网的障碍。IPV6也一直被认为是在物联网应用中最为理想的技术手段。由于IPV6庞大的协议栈和大量的数据分发包，无线传感网下的节点设备无法直接移植IPV6。6LoWPAN的诞生，就是发明了一种将IP报头压缩到只传送必要内容的小数据包的方法。

一直以来，大家普遍认为将IP协议引入无线通信网络是很不现实的。所以，到目前为止，前面提到的一些专用协议一直为无线网络采用。IP协议对带宽和内存都有着比较高的要求，为了适应微控制器及低功率无线连接而降低它的运行环境也是一件相当困难的事情。

IETF 6LoWPAN草案标准，基于IEEE 802.15.4实现了通过IPV6的通信，它的发布有望改变前面的困境。低功率运行的6LoWPAN，让它非常适合应用在手持机和各种仪器中，再加上它内置支持AES-128加密的方式，为强健的安全性和鉴权打下了坚实的基础。6LoWPAN所取得的突破是得到一種非常高效、紧凑的IP实现，消除了以前形成各种专有协议和专门协议的因素。其庞大的地址空间是最大的亮点，基本可以不考虑接入设备的上限。而另外一个亮点，就是当IPV6中的节点设备启动时，可以通过自动读取设备的MAC地址根据相关规则配置好设备的IPV6地址（从效果上类似局域网中的DHCP协议）。

4结语

我们国家一直很重视物联网技术的发展，但较之西方发达国家，我们的物联网技术还是有长的路要走的。

各国厂商为了在物联网市场上抢占更多的先机，纷纷推出自己研发和采纳的无线网络标准，ZigBee、Z-wave、WiFi、蓝牙等，它们有各自的优点，同时也有各自的不足。而从IPV6演化而来的6LoWPAN的横空出世，开源的理念和与下一代IP协议的对接，使标准的统一成为了可能，也让滞后发展的我们看到了希望。

每种技术都有它的优势，ZigBee的低功耗与安全、WiFi的便捷开发、蓝牙的高速传递速率、6LoWPAN的良好发展趋势。所以从长远的角度考虑，各种不同的技术在竞争中寻求合作，而非互设竞争壁垒，才是物联网的未来方式，才会带来物联网世界真正的繁荣。

参考文献

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