无线家庭自控网解决方案研究

张利红，阴亚东

（1.福建江夏学院，福州350108；2.中国科学院微电子研究所，北京100029）

近几年来，无线传感器和制动器网络发展很快，并得到了学术界、企业界和标准定制组织的特别关注，此项技术最主要的应用领域是家庭自动控制.无线家庭自动控制网络（Wireless Home Automation Network，WHAN）能够进行家庭监视和控制，因而可使家居更舒适、管理更有效.典型的WHAN由若干资源有限的嵌入式装置构成，这些装置一般采用电池供电并且装配有低功耗射频收发机.有线解决方案要求使用管道和电缆，无线通信的使用则使网络中装置的添加和去除变得灵活并且减少了安装成本.然而无线传播的动态特性、资源有限性和装置机动性对WHAN的设计带来了挑战.

许多组织和公司已根据不同的框架和原则形成了各种WHAN方案.本文将首先分析WHAN的主要特性和要求，然后介绍分析当前主流的和正在形成的适用于 WHAN的体系架构和技术，包括ZigBee、Z－Wave、INSTEON、Wavenis和6LoWPAN 等，并根据WHAN的要求结合其他技术和非技术标准，对这些解决方案进行分析讨论.

1 WHAN的主要特性和要求

WHAN可以使用在家居生活的方方面面［1－2］，例如：

远程控制：虽然红外技术已广泛用于远程控制器和家居装置之间的无线通信中，如电视、HiFi音响和空调的控制等，但是红外技术只能进行可视短距离的单向数据通信.而射频技术则能够克服这些缺点，进行视线外、中长距离（＞10m）的双向数据通信.

电力管理：通过各种传感器收集的监测参数如温度、湿度、亮度等，可有效地控制窗帘、空调等装置而避免无谓的能量浪费；通过监控和预警用电高峰，可以有效避免用电高峰发生；电力供应公司还可以使用WHAN进行电力负荷的管理.

远程护理：穿戴式无线传感器能定期汇报多项身体生理指标水平（如温度、血压和胰岛素等），以进行精确诊断；当加速度传感器发现有人跌倒时，可立即发出警报.

安全保障：基于烟雾监测器、玻璃破损传感器和运动传感器的高级安保系统，可监测到可能存在的危险境况并触发适当的反应机制，如烟雾监测器可触发火警.

通过对WHAN在家居生活方面的使用分析，可以将其主要特性和要求总结为以下方面：

（1）WHAN的节点数量和节点密度都可能很高.

（2）由于墙、地板、书桌等反射面的存在，家庭空间将成为典型的多径环境；由于WiFi、蓝牙、无绳电话甚至微波炉的使用，工业科学医疗 （Industrial Scientific and Medical，ISM）频段已拥挤不堪，因此决定了WHAN容易遭遇信道干扰、冲突.

（3）要求能进行多跳通信，以使中介节点能为不在信源节点传输距离内的接收节点提供数据转发，最终实现终端到终端连接.

（4）支持多种通信机制，如点对点（开关向某盏灯发送命令）、单点对多点（遥控器向一组装置发送命令）和多点对单点（若干传感器向中央控制器回报测量值）之间的通信.

（5）虽然大多数家居装置都是固定不动的，但某些装置的移动特性和射频信号传播的动态特性要求网络具有断链自愈合功能，并且由网络拓扑变化造成的断链间隔必须短暂.

（6）对于某些监控应用而言，延迟无关紧要；而对于紧急状态和用户操作而言，WHAN必须能够快速响应.

（7）WHAN必须能够进行互联网连接，以满足远程家居监视和管理；某些应用（如入侵警报系统）需要使用安全保护机制.

（8）网络节点必须具有少量的存储能力（kB量级RAM）、有限的处理能力（MHz级处理器）；可以使用电池甚至某种能量获取形式进行供电.

2 WHAN解决方案分析比较

2.1 WHAN解决方案

WHAN从提出至今已有十几年历史，世界众多企业和组织纷纷对其展开研究并提出了各种方案.本文将挑选具有代表性和发展前景的解决方案进行介绍分析.

2.1.1 ZigBee

ZigBee是由ZigBee联盟发展起来的低传输速率、短距离应用的无线网络技术，过去称为“HomeRF Lite”、“RF－EasyLink”、“FireFly”等，目前统一称为Zig－Bee技术［3］.ZigBee协议栈主要由物理层（PHY），数据链路控制层（MAC）、网络层（NWK）和应用层（APL）组成.ZigBee较低的两层协议栈采用IEEE802.15.4标准进行定义，而其他栈由ZigBee协议自身定义.ZigBee最初采用的IEEE80.15.4工作于868MHz、915MHz和2.4GHz频段，这些频段分别为欧洲、美国和全球免费频段，其数据传输率分别为20kb／s、40kb／s和250kb／s.前2种采用二进制相移键控调制（BPSK），而2.4GHz频段采用偏置正交相移键控调制（O－QPSK）；2种通信机制都使用了直接序列扩频（DSSS）.ZigBee的MAC层存在2种信道接入模式：信标模式（beacon－enabled）和无信标模式（beaconless）.第一种方式假定存在某个节点作为个域网协调器并发送网络同步信标；根据这种方案，信标间隔可分为3个周期：①竞争接入期（CAP）.在此时期，将使用带有碰撞避免（CA）的载波侦听多址接入（CSMA）；②无竞争期（CFP）.在此时期，节点可以在分配到的获保障的时隙内进行数据传输；③静止期.在此时期，节点将保持休眠模式.在无信标模式下，装置将使用简单的载波侦听多址接入／碰撞避免（CSMA／CA）策略；IEEE802.15.4允许使用确认应答（acknowledgments，ACKs）进行单播传输.ZigBee将装置定义为3种角色：协调器、路由器和终端节点.ZigBee网络层明确支持树状和网状拓扑寻址和路由，树状拓扑结构以ZigBee协调器为根节点，适合数据收集，包括容易实现多跳数据发送的地址分配机制；在网状拓扑中，采用了基于自组网按需平面距离向量（Ad hoc On－demand Distance Vector，AODV）的路由协议设定和路由维护，可用于任意点对点通信.还提供多点对单点路由，用于多点装置节点与中央收集节点或者接收节点之间的通信.可用于WHAN的ZigBee的相关应用情景模式有2种：ZigBee家庭自动化公共应用情景模式［4］和ZigBee智能电力情景模式［5］.前者对装置描述、命令、属性和其他ZigBee住宅或商业环境应用标准实例进行了定义；后者处理的内容主要集中在电力需求响应和电力负荷管理等应用方面.

2.1.2 Z－Wave

Z－Wave［6］是ZenSys公司（现在为Sigma Designs的分公司）发展起来的无线协议框架，由Z－Wave联盟推动用于家居和商业环境自动化.Z－Wave主要定位于在网络中提供从控制单元到单点或多点之间的可靠短信息传输.Z－Wave依照PHY层、MAC层、传递层、路由层和应用层等结构进行组织.Z－Wave主要在900MHz ISM频段（欧洲868MHz，美国908MHz）运行，采用二进制频移键控（BFSK）调制提供9.6kb／s和40kb／s的数据传输率，最近Z－Wave 400系列单芯片已能在2.4GHz频段提供200kb／s的传输率.Z－Wave的MAC层使用了碰撞避免机制，允许在信道可用时进行数据帧传输；否则，传输将被延迟且延迟时间随机.传递层对连续的两节点之间的通信进行管理，其在ACKs基础上提供了一种可选中转机制.Z－Wave定义了2种装置：管理器和伺服器.管理器向伺服器询问或发送命令，而伺服器则回应管理器或执行命令.Z－Wave路由层执行基于源路由的路由方式，其将路由遵循的路径包含在管理器发送的数据中，可以通过多达4次跳转完成传输，在满足了家居环境要求的同时能限制源路由数据的管理开销.管理器维护着一张表征整个网络拓扑的网表，手持管理器（如遥控器）将首先尝试通过直接传输到达目标；如果传输失败，管理器将估计自己的位置并计算到达目标的最佳路由.伺服器扮演着路由器角色，路由伺服器存储了静态路由（指向管理器），并且可以自主地将信息传输给其他节点.由于一般情况下传感器检测过程中的询问延时是可以接受的，因此伺服器适合于监测传感器；同样，伺服器可作为响应激活命令并完成动作的制动器.路由伺服器则可用于对时间要求苛刻并且无请求的传输应用，如警报激活.

2.1.3 INSTEON

INSTEON［7］是 由 SmartLabs 发 展 起 来 并 由INSTEON联盟推动的家居自动化解决方案.INSTEON与众不同的特性在于其为由RF连接和电力线连接的网状网络，装置可以通过RF、电力线或者同时采用2种方式进行连接.INSTEON射频采用904MHz中心频率的频移键控（FSK）调制，粗略数据传输率为38.4kb／s.INSTEON装置之间地位平等，这意味着其中任何装置都可以担当发送器、接收器和中继转发器.不同距离装置之间的通信通过采用多跳路径的方式完成，这种方式在很多方面与传统技术不同.所有的装置都会转发收到的信息，除非自己为信息发送目标；每条信息跳传的最大次数限制为4次.多跳转传输采用同步时隙机制完成，这些时隙采用一定数量的电力线零点交叉进行定义；在同步时隙机制中，装置被允许在特定时隙里进行数据传输，而相同传输距离内的其他装置将不允许传输其他信息.未依附在电力线上的RF装置可以进行异步传输，但依附在电力线上的RF装置将同步转发相关信息.与经典碰撞避免机制不同的是，INSTEON网络中相同传输距离内的装置允许同时发送相同信息，这种方式称为同步联播.

2.1.4 Wavenis

Wavenis是Coronis Systems开发的用于多环境下监控应用的无线协议栈，可以用于家居和楼宇自动化.Wavenis现在由Wavenis开放标准联盟（Wavenis OSA）所推动和管理，它定义了物理、链路和网络层的功能属性［8］.通过应用编程界面（API），可从更高层面访问Wavenis服务.Wavenis主要运行于433MHz、868MHz和915MHz频段，分别为亚洲、欧洲和美国的ISM频段；有些产品也能运行在2.4GHz频段.Wavenis能提供的最低和最高数据传输率分别是4.8kb／s和100kb／s，而19.2kb／s为典型值.Wavenis使用GFSK进行数据调制和跨50kHz信道频带的快速跳频扩频（FHSS）.Wavenis的MAC子层提供同步和非同步机制，在同步网络中，节点混合使用载波侦听多址（CSMA）和时分多址（TDMA），其中TDMA作为对广播或组播的应答传输机制.正常工作时，节点将分配到一个利用自身地址计算得到的伪随机时隙，在时隙传输前，节点进行载波侦听（CS）；若信道繁忙，节点将计算一个新传输时隙；对于异步网络，在可靠性作为关键要求的应用中，CSMA／CA机制将被使用.Wavenis逻辑链路控制（LLC）子层通过提供每帧和每窗口的ACKs来对流程和错误控制进行管理.Wavenis只定义一种类型装置，且其网络细分为4等级层次树，树底层可担当数据收集器和网关的角色.加入Wavenis网络的装置将试图寻找一个合适的父系，为此，新装置将广播对特定等级装置发出的请求和一个充分的服务质量（QoS）值；QoS值考虑了某些参数，包括接收信号强度指示（RSSI）测试值、电池电量以及已依附在此装置上的装置个数等.

2.1.5 6LoWPAN

尽管当初许多学者对互联网架构对传感器网络的适应性提出质疑，但如今IPv6在这些网络环境中获得了良好的应用演示［9］.实际上，IPv6拥有为无国界自构造网络而准备的多种方案，并且能满足这些网络所需的大量地址空间.同时，互联网工程任务小组（IETF）已完成了将互联网扩展到传感器和制动器网络的标准化机制.此外，最近成立的智能物体IP（IPSO）联盟已经在推动将IP使用到这些装置中了.虽然IETF所做的工作尚未完成，但基于IP的传感器网络正在发展中，并且将极大地扩充互联网末端.在不远的将来，全标准化的基于IP的WHAN解决方案将进入实用化.IETF IPv6低功耗无线个域网（6LoWPAN）工作小组已为在IEEE802.15.4网络之上传输IPv6数据包定义了帧格式和若干机制.6LoWAPN中的机制包括：①分裂，Pv6支持1 280bytes长的数据包，而IEEE802.15.4的最大数据帧长度为127bytes；②头标题压缩，将40bytes长的IPv6头标题压缩为2bytes长的头标题；③IPv6地址自构造；④针对LoWPANs的IPv6邻居发现.如果LoWPAN采用网状拓扑，将需要路由协议，而LoWAPNs路由将设定为2种方式：“网格下”（mesh under）和“路由上”（route over）.在 “网 格 下 ”方 式 中，路 由 将 使 用IEEE802.15.4地址在IP之下完成；在这种结构里整个LoWPAN以单IP链接的方式出现.在“路由上”方式中，每次射频跳转等同于IP跳转，路由发生在IP层.6LoWPAN装置各种各样，边缘路由器将某个LoWPAN与其他网络进行互联；网格节点和路由节点分别在“网格下”和“路由上”完成路由任务；主机只是进行IPv6数据包产生和接收的简单装置.

2.2 WHAN解决方案的性能分析比较

以上对若干种主流WHAN解决方案的形成、特点和运行原理进行了分析介绍.下面将从WHAN的特性和要求以及其他技术和非技术标准出发，对这些解决方案进行分析比较，为工程中WHAN解决方案的选定、设计和开发提供一定的参考.

2.2.1 物理层

表1对各种WHAN解决方案的物理层的特性进行了总结.在调制技术方面，Z－Wave和INSTEON采用易于实现的FSK窄带调制；Wavenis使用GFSK，其频谱利用率比FSK更高；相比之下，基于IEEE802.5.4的ZigBee和6LoWPAN采用PSK调制更为复杂且灵敏度（SNR）更高；另外，IEEE802.15.4和 Wavenis物理层使用了扩频技术，能够提供针对多径和窄带干扰的保护.在传输信道模式方面，IEEE802.15.4在915MHz和2.4GHz频段提供多信道选择，因此，Zig－Bee和6LoWPAN可以建立基于最小干扰信道选择的干扰避免机制.事实上，如果任意节点监测到严重干扰，ZigBee协调器可决定在新信道上组建新网络.INSTEON、Wavenis和Z－Wave（除400系列单芯片外）运行在亚千兆Hz频段内的单一信道，虽然这些频段在家居环境中将受到比2.4GHz频段更小的干扰并且简化了硬件设计，但并不能确定在未来亚千兆Hz段会出现多大的干扰.考虑到这点，最近推出的ZWave400系列芯片则具有灵活的频率机制，其接收机可同时监听3个不同的频段，并且在干扰最小的频段中进行数据发射.

表1 各种WHAN解决方案的物理层总结

2.2.2 链路层

表2对WHAN解决方案的链路层的特性进行了总结.在数据传输的可靠性方面，Z－Wave和INSTEON使用简单的8bytes CRC校验，ZigBee和6LoWPAN采用IEEE802.15.4中更加安全的16bytes CRC校验，Wavenis则使用更加先进的比特错误控制技术——BCH编码技术.除INSTEON之外，其他解决方案均提供可选的链路层ACKs作为可靠链路层传输；此属性允许用户根据应用要求来定制解决方案，比如在警报和远程护理应用中，可以在可靠性、能量、带宽节省之间进行折中.

表2 各种WHAN解决方案的链路层总结

2.2.3 网络层

表3对各WHAN解决方案的网络层的特性进行了总结.在路由和跳转传输方面，Z－Wave中只有收集器保存和维护着路由表（路由伺服器只有事先设定的到若干目标的路由）.相比较而言，ZigBee家居自动化公共应用情景模式针对家居环境中可能出现的高密度性而推荐使用了大路由表，但这提高了对ZigBee节点存储器的要求.在 Wavenis中，每个装置只存储了自己到根节点的路由；而根节点不存在像其他节点一样的限制，因而存储了到每一个节点的路由.INSTEON装置采用同时联播代替了路由，避免了为进行多跳传输而进行状态存储.在路由度量值方面，由于在家居环境中多径和干扰影响传输性能，而使用链接质量度量值能有效地改善传输性能，因此ZigBee和6LoWPAN使用了IEEE802.15.4中的链接质量指示器（LQI）来获得链接质量度量值，而LQI通常采用误码率估计（bit error rate estimate，BER）来实现.Wavenis使用基于RSSI的链路质量估计，在多径和干扰的环境下无法做到精确估计.Z－Wave选择基于跳转计算度量值的路由，并且对链路质量无察觉.在路由更改延时方面，由于INSTEON使用同时联播代替路由，当中间媒介装置不可用时，数据仍然可以通过替代路径到达目标，而不会产生连接间隙.其他采用路由的解决方案都会存在检测链路失败后寻找可替代路径而产生的延时.Z－Wave路由更改延时（RCL）平均为1s，而ZigBee路由更改延时平均为50～100ms［8］.

表3 各种WHAN解决方案的网络层总结

2.2.4 应用层

表4对各WHAN解决方案的应用层的特性进行了总结.ZigBee、Z－Wave和INSTEON具有一系列为各种WHAN应用而适当定义的命令和属性，而这种功能6LoWPAN却没有.此外，考虑到装置受限和LoWPANs使用50～60bytes的传输层负载，传统应用层互联协议（HTTP和SNMP）和数据编码格式自然不适用于基于6LoWPAN的 WHAN.在终端到终端的连接可靠性方面，ZigBee、Z－Wave和INSTEON采用简单的终端到终端应答确认和转播机制，ZigBee还能过滤重复数据包；6LoWPAN进行可靠传输时，应用方案会使用序列号扩展的UDP、ACKs和重传.事实上，TCP对于限制级装置而言太复杂，且在无线环境中表现不佳.

表4 各种WHAN解决方案的网络层总结

2.2.5 其他方面

表5从网络安全、互联网链接、硬件开销和标准化及市场采用等方面对各 WHAN方案进行了总结.在网络安全方面，ZigBee和6LoWPAN利用了IEEE802.15.4提供的链路层安全服务，使用了密钥长度为128bits的高级加密标准（AES）算法；ZigBee提供了应用层的密钥管理，而6LoWPAN却没有制订密钥方案.Z－Wave 400系列芯片提供了128－bit AES加密；INSTEON提供了各种加密方法但推荐使用简单的滚码加密；Wavenis也提供了若干种加密算法，包括128－bit AES算法.在互联网连接方面，6LoWAPN的最大优势在于其与互联网的互通性，基于6LoWPAN的WHAN与互联网连接并不需要使用协议转换网关，可通过IP路由、提供终端到终端IP通信等方式连接至互联网.本文讨论的其他WHAN解决方案在开始设计时并不提供IP支持，但绝大多数解决方案现已将IP作为关键元素，以满足当前市场需求.2009年，ZigBee宣称已将IETF标准结合到其规范文档；Sigma Design提出了IP－Wave芯片，可以在Z－Wave单芯片解决方案中运行IP 栈［10］；Wavenis－OSA联盟亦宣称IP正在被考虑写入未来的Wavenis规范中［11］.在硬件开销方面，ZigBee、Z－Wave和INSTEON实现了达到应用层功能的协议框架.ZigBee所需封装最大，因为其包含了一整套错综复杂、应用广泛的机制.相比较而言，Z－Wave和INSTEON只是为家居自动化而定制发展起来的，并且提供相对简单的解决方案.因为同步联播相对简单，INSTEON是所要求存储器数量最少的WHAN技术.Wavenis并未细分网络层之上的应用服务，消耗的RAM少，但要求使用中型尺寸闪存.而当前6LoWPAN的实现（包括路由和传输层协议，但不包括应用层协议）所需ROM／flash比ZigBee、Z－Wave和Wavenis都要少.在标准化和市场采用方面，INSTEON、Z－Wave和 Wavenis的缺点在于其规范不够公开化，而ZigBee规范虽是公开的，但其获取需ZigBee联盟成员身份；相比较而言，作为互联网标准的6LoWPAN是真正公开的且不需要授权，这意味着其将拥有比竞争对手更多的受众.用于WHAN的ZigBee产品在市面上出现的比其他解决方案晚，第一款WHAN ZigBee产品出现于2009年8月，而这时Z－Wave、Wavenis和INSTEON产品已面市多年.6LoWPAN已经被若干生产商采纳实现，将主要被部署在智能电力第2版（SE2）；SE2致力于在电力供应商和消费者之间提供终端到终端连接，已被公认为美国国家标准技术研究院智能电网路线图的一部分［12］.

表5 各种WHAN解决方案的其他方面总结

3 结 语

本文调查了当前或即将出现的适用于WHAN的解决方案，包括ZigBee、Z－Wave、INSTEON、Wavenis和6LoWPAN等.首先分析了 WHAN的特点和需求；其次介绍并分析了各种WHAN解决方案的由来、原理和特性；接着从WHAN的特点和需求出发，在技术和非技术层面上，对各种WHAN解决方案进行了分析对比，可为WHAN的设计开发提供一定的参考.

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