基于 ZigBee技术的智能家居系统研究

基于 ZigBee技术的智能家居系统研究

焦兴学

中国中元国际工程有限公司 北京 100089

摘 要：本文首先通过对几种主流的智能家居无线技术的比较，说明ZigBee在智能化家居系统的优势，并阐释了ZigBee的组网方式，然后基于此设计了一套智能家居方案，最后针对智能家居的前景进行展望。

关键词：智能家居；无线技术；ZigBee ；Wifi

0 引言

所谓智能家居，即在已有建筑的基础上，利用互联网技术实现家中多种设备的连接，包括照明设备、传感器、插座和家电等等，从而实现家电语音控制、智能化内外遥控与防盗报警等功能^[1]。与传统家居设施相比，除满足基本生活需求外，还具有网络通信、设备自动化、多方信息交互等功能，提高资源利用率的同时还降低了使用成本。

目前智能家居内部网络的组建可分为有线和无线两类，有线技术主要包括电话线、专用总线、现场总线和以太网双绞线等方案，其优势在于技术成熟，抗干扰能力强且可靠性高，但由于布线复杂、初期成本高、可扩展性差等问题致使其无法适应迅猛发展的智能家居系统，故而以无线网络为基础的组网技术已逐渐成为推动智能家居发展的核心技术。在无线传输环境下，无论是系统安装的便捷性还是功能的可扩展性相比有线传输均有极大提升。然而无线模式也并非毫无弊端，当前多种无线方式方兴未艾，但相比于有线来说其技术发展并不成熟，不同技术也有着各自的缺点，如信号衰减程度高、通信质量偏低、电磁辐射、安全性低等。因此，选择合适的无线组网方式对智能家居系统来说尤为重要^[2]。

1 几种常用无线通信技术对比

目前流行的用于通信的无线技术如蓝牙、Wi-Fi等人们已然耳熟能详，此外还有UWB、NFC、ZigBee等技术也已逐渐走进大众视野^[3]。下面将并对其特点加以分析对比，具体见表1，从而选出适合智能家居系统应用的无线通信技术。

表1 无线网络方式对比

对于智能家居系统来说，其网络的选择具有一些要求：首先家庭中往往有很多受控节点如插座、传感器、灯具、遥控等，因此对网络的节点数具有较高要求；其次考虑到房屋大小与家具遮挡等因素，还对通信范围有一定限制；此外对于成本、功耗等问题，也应尽可能做到物美价廉。综合上述因素与表1参数分析可知，ZigBee技术是目前最适合智能家居网络系统采用的无线通信技术。

2 ZigBee通信设计

2.1 ZigBee组网设计

根据组网类型，ZigBee可分为星型、树簇型和网型三种。根据智能家居系统的特点,通常采用树簇型网络的方式进行组网^[6]。采用树簇型网络的优点在于可以降低功耗，如遥控器在平时不发送数据的时候可设置为休眠模式，从而延长电池使用时间。树簇网络节点可分为协调器、路由器和终端器三种。其中协调器是整个网络的中心，负责网络组网，整个系统中只有主控制器为协调器；路由器起到收发和转发数据的功能，灯光、窗帘等市电供电终端属于该类型；终端器则只能收发数据，如遥控器等低功耗设备。

2.2ZigBee通信模块设计

为了简化设计以及减少成本，将ZigBee网络以模块化的形式嵌入在各个家居设备中，负责各设备间的数据通信。通常该模块使用TI公司的CC2430芯片，该芯片内部集成8051单片机，外围有通用IO口、A/D转换口、SPI口等丰富的接口资源。模块通过引出接口来针对外围电路进行设计，如图2所示。该接口可为家居智能设备的电路设计提供相应硬件资源，只需再设计一块功能模块与ZigBee模块组合即可实现相应功能。

3 基于ZigBee的智能家居方案设计

随着科技的进步与国民经济的快速发展，人们对住宅的需求也不再仅限于能够居住，而是更加向往舒适、便捷、安全和信息化的生活环境，因此智能家居的概念应运而生。下面本文将给出一种基于ZigBee技术的智能家居总体方案设计，以供人们选择和参考。

3.1 系统功能需求

现代智能家居主要功能应包括：门禁控制、视频监控、家电控制、安防报警和远程服务等，具体可分为以下三类：

3. 1. 1. 家电设备智能监控

系统对家庭内部设备如空调、插座、灯具和窗帘等进行统一集中的智能化监控、控制与操作，如窗帘与灯具互相配合以保证室内照度符合需求的同时减少能耗，用户通过语音进行电器操作，空调在主人回家前提前自动调节室内温度等。

3. 1. 2. 安防系统

安全可靠的安防系统确保了人民的财产与生命安全，是智能家居必不可少的一环。安防系统包括烟雾报警系统、门磁系统、红外监测系统和闭路电视监测系统等。利用指纹、虹膜等门禁技术代替门锁，安全方便；多种传感器取代窗外的防盗网，不再有“牢笼”的感觉；一旦发生煤气泄漏或有火灾迹象，能够第一时间通知用户并报警等。

3. 1. 3. 远程终端服务

智能手机的普及极大丰富了人们的生活，因此家居设施与手机app客户端的结合也是大势所趋。用户通过手机等远程控制设备可随时随地监测与控制住宅内部各种设施。无论身处何方，只要有网络就可以轻松控制家里的一切。

3.2 设计原则

目前大多数智能家电存储与计算能力比较有限，而单纯依靠家电本身来提高其软硬件资源又势必造成成本提高，减少市场竞争力，因此本文采用家庭内部网络令智能家电互连来共享网路资源的方式，以最大化利用家电本身的资源。采用以ZigBee技术为基础的智能家居系统设计需遵循以下原则：

3. 2. 1. 数据传输可靠性

家庭网络内部传输的信息通常是一些控制信号与物理量参数，因此对传输速度的要求不高，但传输的可靠性十分重要，因为错误的控制信息不仅可能会造成设备状态的不正常，甚至损坏。因此家居网络首要考虑的就是信号传输的可靠性。

3. 2. 2. 自组织性和自适用性

家居设备的增添与位置更换以及网络控制器的堵塞甚至瘫痪等情形都可能造成网络拓扑结构的变化与网络通信延迟等问题，进而导致家居设备停止工作等故障产生。因此家居网络还应具有自组织性和自适用性，以适应环境变化。

3. 2. 3. 网络安全性

网络安全的重要性不言而喻，安全性高一分，人民遭受财产或安全损失的概率就低一分。

3. 2. 4. 可扩展性

生活条件的不断提高促使人们对居住环境舒适度的要求也越来越高，因此针对设备数量与质量的增加与提高，智能家居系统的可扩展性是必不可少的，此外对于手机app等远程监控措施来说也需要一定的可扩展性来满足需求。

3.3 系统总体设计方案

智能家居既满足了人们生活质量提高的需求，也顺应了科技数字化和智能化发展的必然产物。智能家居融合不同领域的多种先进设备与技术，打造一个功能齐全、完整可靠且能自动控制的系统^[7]。本文依照智能家居中系统功能需求与设计原则，结合云计算、“互联网+”、无线传输技术等技术，提出一种系统总体设计方案。该系统的主要组成部分包括家庭网关、无线传感器网络、云服务器和远程访问控制设备等，其构架如图1所示。

图1 系统总体设计构架

3. 3. 1. 无线传感器网络

依照上文分析，本智能家居系统主要依靠ZigBee无线网络连接家庭设备并作为感知层，传感器、执行器、协调器和路由器等节点组成的无线传感器网络经由感知层将被控设备的信息数据或执行命令进行数据交互。该系统中传感器节点获得环境信息后经由ZigBee网络上传给协调器，如利用温湿度传感器采集室内环境信息并上传等。执行器节点在接收到相应指令后即可控制不同家庭设备，也可以提供对应设备状态信息。

此外，鉴于ZigBee技术的速率较低的问题，本系统还利用WiFi技术对速率要求较高、数据量较大或实时性较强的设备提供无线网络支持，如视频监控或语音等设备。

3. 3. 2. 家庭网关

家庭网关是智能家居系统的“大脑”，可以集成多种协议来控制周边设备。家庭网关将室内无线网络采集的数据通过TCP/IP协议与互联网通信，并将数据上传到云服务器，用户也可通过家庭网关查询所存储的传感器历史数据。

3. 3. 3. 网络云服务器

因家庭网关存储能力有限，且数据计算能力不足，因此需要网络云服务器对家庭网络数据进行存储和处理。在云端部署智能家庭服务程序，用户即可通过网关设备连接家庭局域网与外部网络，通过这种方式用户就能获得智能家居应用服务

^[8]。利用云服务器不但能实现大量数据的计算和处理，还可以降低硬件需求，减少成本同时便于系统扩展。

3. 3. 4. 远程控制终端

智能家居目标是为人们提供安全、舒适、可控的家居环境，用户利用远程控制设备如智能手机、平板电脑等通过登陆至网络云服务器，获取家庭网关所上传的传感器数据，能够更加方便快捷地控制家庭设备的动作。

4 小结

智能家居的出现，既是硬件产品质的飞跃，也对软件平台的打造提出了更高的要求，只有通过设计良好的设计，多个智能家居产品才能互相配合，实现“1+1>2”的效果。智能家居作为物联网的重要组成部分，随着5G时代的到来也将迎来新的发展机会。

参考文献

1. 苏本跃,王广军,章健.基于物联网环境下体感交互技术的智能家居系统[J]. 中南大学学报(自然科学版),2013,44(S1):181-184.

2. 王飞,陈金鹰,刘香燕.智能家居应用现状及其发展分析[J]. 通讯世界,2016(04):267.

3. 郭彩丽,张天魁,曾志民,冯春燕. 认知无线电关键技术及应用的研究现状[J]. 电信科学,2006(08):50-55.

4. 张在琛,毕光国. 超宽带无线通信技术及其应用[J]. 移动通信,2004(Z1):110-114.

5. 周怡頲,凌志浩,吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J]. 自动化仪表,2005(06):5-9.

6. 王坚锋. 基于ZigBee的智能家居系统研究[J]. 电子世界,2012(01):105-106.

7. 邵鹏飞,王喆,张宝儒. 面向移动互联网的智能家居系统研究[J]. 计算机测量与控制,2012,20(02):474-476+479.

8. 苗少卿. 基于云服务的智能家居系统的研究与实现[D]. 南京航空航天大学,2016.

作者简介：焦兴学；出生年月：1977年6月；性别：男；民族：汉族；学历：本科；职称：高级工程师；研究方向： 建筑电气设计及研究