ZigBee在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用

黃晨露　吳贇

【摘要】 作為新技術(shù)，ZigBee在社會(huì)發(fā)展中越來越受到重視。隨著Internet技術(shù)的不斷延伸，ZigBee逐漸作為嵌入系統(tǒng)、設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)互為補(bǔ)充、相互影響。智能家居系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了ZigBee的發(fā)展，而ZigBee技術(shù)又不斷融入到家居系統(tǒng)中來，由此ZigBee技術(shù)與智能家居系統(tǒng)融為一體。本文概述了ZigBee技術(shù)的由來及其優(yōu)勢(shì)，并著重從智能家居系統(tǒng)的整體模塊、節(jié)點(diǎn)軟硬件、嵌入式系統(tǒng)、網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】 ZigBee 智能家居系統(tǒng) 應(yīng)用

隨著生活水平的提高，家電設(shè)備設(shè)施的不斷完善，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求也與日俱增。手動(dòng)的家居環(huán)境已經(jīng)不能滿足人們的生活要求。智能化、自動(dòng)化家居環(huán)境逐漸走入人們的視野。家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與完善一度成為國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)。

一、ZigBee概述

ZigBee（中文譯名“紫蜂技術(shù)”）是太網(wǎng)（IEEE802.15.4）協(xié)議的簡(jiǎn)稱，它源于蜜蜂的八字舞，即蜜蜂（Bee）通過“嗡嗡”（Zig）地抖動(dòng)翅膀來向同伴傳遞花粉的方位信息。ZigBee協(xié)議與蜜蜂傳遞信息的方式類似，故而取名為“ ZigBee”。ZigBee 是一種可有效應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。兩節(jié)普通干電池足可以使ZigBee無(wú)線傳感器持續(xù)運(yùn)行2-3年時(shí)間，甚至更長(zhǎng)。其組網(wǎng)能力、網(wǎng)絡(luò)容量較大，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)最大可達(dá)65535個(gè)，且數(shù)據(jù)交換量、傳輸速率皆較小。另外，即連即斷的功能大大降低了數(shù)據(jù)間碰撞的概率；數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩阅茌^高。ZigBee技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。一是省電，即其運(yùn)行周期較短，收發(fā)信息能耗較低；二是可靠，即避免了與通信業(yè)務(wù)預(yù)留了時(shí)隙，確保了數(shù)據(jù)的沖突與競(jìng)爭(zhēng)；三是成本低，即其專利費(fèi)全免，模塊的初始成本費(fèi)用可低至1.5美元；四是時(shí)延短，即設(shè)備搜索、休眠激活等時(shí)延都按毫秒計(jì)算；五是網(wǎng)絡(luò)容量大，即其網(wǎng)絡(luò)最大容納從設(shè)備達(dá)254個(gè)，且一區(qū)域內(nèi)可同時(shí)存在100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)；六是安全，即數(shù)據(jù)傳輸受加密算法的保護(hù)。

二、ZigBee在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、智能家居系統(tǒng)整體模塊構(gòu)建。符合ZigBee技術(shù)的通信模塊開始大范圍運(yùn)用到智能家居系統(tǒng)中來，因此，如何選定通信模塊，構(gòu)建家居系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)落實(shí)智能家居，推動(dòng)ZigBee技術(shù)不斷發(fā)展顯得尤為重要。根據(jù)ZigBee技術(shù)的相關(guān)研究成果，結(jié)合智能家居理念，筆者初步將基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)為：人機(jī)界面（Web頁(yè)）-因特網(wǎng)-家庭網(wǎng)關(guān)（嵌入式Web服務(wù)器和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)）-終端節(jié)點(diǎn)。由此看來，智能家居系統(tǒng)主要由人機(jī)界面、因特網(wǎng)、嵌入式web服務(wù)器、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、家庭網(wǎng)關(guān)、終端節(jié)點(diǎn)組成。智能家居系統(tǒng)的核心為家庭網(wǎng)關(guān)，家庭網(wǎng)關(guān)的穩(wěn)定性與有效性決定著操作者能否通過計(jì)算機(jī)訪問Web頁(yè)。終端節(jié)點(diǎn)由射頻收發(fā)模塊、傳感器及接口控制模塊組成。射頻收發(fā)模塊主要為系統(tǒng)提供各端口信息的接受與發(fā)送；傳感器則對(duì)家庭溫濕度、突發(fā)情況等的探測(cè)和對(duì)各聯(lián)網(wǎng)家電的有效控制；接口控制模塊則將射頻收發(fā)模塊與傳感器有效連接在一起，并執(zhí)行各項(xiàng)指令。

2、完善節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)。作為智能家居系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)硬件，溫濕度傳感器與供電模式是比不可少的。為更好地貫徹“一鍵OK”式節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原則，我們可以根據(jù)LED指示燈等家電系統(tǒng)合理設(shè)計(jì)出與各家庭格局相匹配的按鍵模式，以便于操作者進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。相比于硬件設(shè)計(jì)，智能家居系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)則相對(duì)復(fù)雜。軟件設(shè)計(jì)是在硬件驅(qū)動(dòng)的前提下進(jìn)行的，主要包括任務(wù)調(diào)度、中斷處理、功耗管理、通信協(xié)議等內(nèi)容的傳感采集。在采集的過程中，協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備發(fā)揮了巨大作用。一般而言，啟動(dòng)設(shè)備，進(jìn)入上電初始化，建立星型網(wǎng)絡(luò)，按指示燈閃爍情況接收信息或休眠，最后通過發(fā)送信息，并結(jié)束；終端設(shè)備的運(yùn)行則需要點(diǎn)亮指示燈，以觸發(fā)定時(shí)事件或進(jìn)入休眠狀態(tài)，通過發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)，接受網(wǎng)絡(luò)反饋事件，最終結(jié)束。具體設(shè)計(jì)為：傳感采集-任務(wù)調(diào)度-中斷處理-功耗管理-通信協(xié)議-任務(wù)驅(qū)動(dòng)-LED指示燈-按鍵-溫濕度傳感器-供電模塊。

3、構(gòu)建完善的嵌入式系統(tǒng)。考慮到ZigBee傳輸距離有限的缺陷，我們要在智能家居系統(tǒng)中通過嵌入web服務(wù)器的形式打通家庭網(wǎng)關(guān)與外部通信的關(guān)系，使傳輸速率、傳輸范圍進(jìn)一步得到提升。且嵌入式設(shè)備具有成本低、能耗低、體積小、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)。在設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，我們可以將HTTP協(xié)議、TCP/IP協(xié)議和socket編程融入其中，使系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸、儲(chǔ)存上發(fā)揮最佳功效，以彌補(bǔ)信息傳輸速率較慢、傳輸距離有限的問題。

4、構(gòu)建完善的家庭網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)。經(jīng)傳感器分析、處理的數(shù)據(jù)需要嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)作為儲(chǔ)存空間，一個(gè)個(gè)累積的存儲(chǔ)空間組成了家庭網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)。家庭網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立對(duì)完善、協(xié)調(diào)內(nèi)外網(wǎng)，合理處理各種數(shù)據(jù)具有重要作用。良好的網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以有效防止不同數(shù)據(jù)傳輸通道之間的碰撞。

ZigBee技術(shù)已然成為智能家居系統(tǒng)的重要組成部分。我們應(yīng)積極更新觀念，合理利用ZigBee技術(shù)，不斷降低能耗，完善數(shù)據(jù)傳輸與儲(chǔ)存，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境智能化、自動(dòng)化。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]伍云.ZigBee短程無(wú)線通訊技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)新通信.2014（3）：111-112.

[2]張小威.ZigBee電路設(shè)計(jì)及在智能家居中的應(yīng)用[D].南京郵電大學(xué).2013（2）：5-6.

[3]張毅.ZigBee在智能家居中的應(yīng)用研究[D].蘭州理工大學(xué).2011（5）：13-14.