基于ZigBee智能家居系統(tǒng)的研究

朱紅　劉承憲　王琦

摘要：隨著生活水平的不斷提高，人們對住宅的功能要求越來越高，希望家居能植入智能化程序，實現(xiàn)物與物和物與人的交流，并且能隨時隨地了解家居狀況和控制家居；越來越追求生活細節(jié)上的簡單化與智能化，享受更加輕松、有序、高效的生活。物聯(lián)網技術的出現(xiàn)為其奠定了良好的技術基礎，給智能家居帶來了春天。針對基于ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)的相關技術進行研究，分析了ZigBee體系結構和網絡拓撲結構，介紹了ZigBee技術在智能家居系統(tǒng)中的應用前景，并設計出基于Zigbee技術的智能家居系統(tǒng)。

關鍵詞：ZigBee，無線網絡，智能家居

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：B

文章編號：1001-9138-（2015）09-0063-67 收稿日期：2015-09-01

1 引言

智能家居是利用先進的計算機技術、網絡通訊技術、綜合布線技術，依照人體工程學原理，融合個性需求，將與家居生活有關的各個子系統(tǒng)如安防、燈光控制、煤氣閥控制、信息家電、場景聯(lián)動、地板采暖等有機地結合在一起，通過網絡化綜合智能控制和管理，實現(xiàn)“以人為本”的全新家居生活體驗。其系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量要求很低，同時具備低功耗、低成本等特點，而基于IEEE802.15.4標準的短距離無線網絡協(xié)議ZigBee技術正具備了以上特點，因此其在智能家居系統(tǒng)中的應用日益廣泛起來，其可實現(xiàn)寬帶網絡家庭的延伸拓展，并使家庭組網更加便捷。

2 ZigBee技術介紹

IEEE 802.15.4協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，ZigBee正是其代名詞。該協(xié)議主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可嵌入各種設備中。ZigBee技術有如下幾點優(yōu)勢：第一，成本低。免協(xié)議專利費，而且每塊芯片的價格大約為2美元左右。第二，低功耗。在低耗電待機模式下，兩節(jié)五號干電池可支持1個節(jié)點工作半年至兩年時間甚至更長。第三，速率低。其工作在20-250kbps的較低速率，在不同頻帶間分別提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應用需求。第四，近距離。其傳輸范圍一般介于10-100m之間，在增加射頻（RF）發(fā)射功率后，亦可增加到1-3km。第五，延時短。其響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網絡只需30ms。第六，容量高。該技術可采用星狀、樹狀和網狀網絡結構，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點。同時，主節(jié)點還可由上一層網絡節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網。第七，高安全。其提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標準（AES 128）的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

基于上述特點可看出，ZigBee主要應用在短距離范圍之內并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設備之間，其典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)（如傳感器數(shù)據(jù)）、間歇性數(shù)據(jù)（如照明控制）和重復性低反應時間數(shù)據(jù)等。因此，ZigBee技術十分適合應用于智能家居系統(tǒng)之中。

3 ZigBee網絡的構建

ZigBee采用的是自組網通信方式，該架構被稱為無基礎構架的無線局域網（Ad Hoe Wireless LAN），這種架構對網絡內部的設備數(shù)量不加限制，并可隨時建起無線通信鏈路。例如，協(xié)調器一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，新添加的RFD（半功能設備）會被網絡自動發(fā)現(xiàn)，這時，F(xiàn)FD（全功能設備）會把RFD的信息傳送給協(xié)調器，由協(xié)調器進行編址，并計算其路由信息，更新數(shù)據(jù)轉發(fā)表和設備關聯(lián)表等。若新添加到網絡的是FFD，則可直接把自身信息上報協(xié)調器，并對周圍的RFD設備進行輪詢，記錄它們的地址信息，通知協(xié)調器更新路由，此時新加入的FFD起到了一個橋梁的作用，RFD通過FFD和協(xié)調器進行間接通訊。這種分層結構，便于管理，增加了網絡的透明度，有利于發(fā)現(xiàn)并自動添加新入網設備。在ZigBee網絡中，所有設備均有一個64Bit的IEEE地址，可以分配一個16Bit的本地地址減小數(shù)據(jù)包的大小。

ZigBee網絡常見的有三種拓撲結構，即樹型拓撲、星型拓撲和網狀拓撲（見圖1），其中網狀網通信應用較為普遍也十分實用，網狀網通信實際上就是多通道通信。在應用現(xiàn)場，由于各種原因，往往并不能保證每一個無線通道都能夠始終暢通，就像城市的街道一樣，可能因為車禍、道路維修等，使得某條道路的交通出現(xiàn)暫時中斷，此時由于有多個通道，車輛（相當于控制數(shù)據(jù)）仍然可以通過其他道路到達目的地，這一點對工業(yè)現(xiàn)場控制而言非常重要。而在ZigBee技術中則采用了動態(tài)路由的方式。所謂動態(tài)路由，是指網絡中數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇穷A先設定的，而是傳輸數(shù)據(jù)前，通過對網絡當時可利用的所有路徑進行搜索，分析它們的位置關系以及遠近，然后選擇其中一條路徑進行數(shù)據(jù)傳輸。在網絡管理軟件中，路徑選擇使用的是“梯度法”，即先選擇路徑最近的一條通道進行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠一點的通道進行傳輸，以此類推直到數(shù)據(jù)送達目的地為止。在實際工業(yè)現(xiàn)場，預先確定的傳輸路徑隨時都可能發(fā)生變化，或者因各種原因路徑被中斷了，或者過于繁忙不能進行及時傳送。動態(tài)路由結合網狀拓撲結構，可以很好地解決這個問題從而保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

4 ZigBee智能家居系統(tǒng)方案設計

ZigBee技術在智能家居系統(tǒng)中有著廣泛的應用前景，在家居自動報警系統(tǒng)中可通過各種探頭、傳感器實現(xiàn)煤氣泄漏、紅外線防盜、煙霧及緊急求助報警等功能，報警信號可自動通過ZigBee網絡傳往控制中心或用戶終端，并啟動相關聯(lián)動裝置。在燈光和家用電氣控制系統(tǒng)中也可應用ZigBee技術，通過無線方式將燈光和家用電器連接起來，只需使用一個遙控器在規(guī)定范圍內就可以操控各種家用電器，而且遙控模塊可嵌套在便攜電子設備中，用戶只需在設備上設定相應的操作，燈光和家電就會按照規(guī)定自動完成這些指令，同時每個操作都會有反饋信息說明操作已完成。

智能家居系統(tǒng)主要由主控制器和智能終端節(jié)點等構成。其中，主控制器負責家居系統(tǒng)的組網以及控制策略的執(zhí)行（主控制器采用三星公司ARM11處理器S3C6410），通過主控制的GSM模塊，用戶可以很輕松的使用手機對智能家居系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控。主控制器采用WindowsCE6.0嵌入式操作系統(tǒng)，并在此基礎上開發(fā)應用軟件。WindowsCE6.0軟件資源豐富，界面友好，可裁剪程度高，非常適合主控制器的軟件應用。

智能終端包括燈光控制器、窗簾控制器、家電控制器、智能開關插座以及安防消防設備等，是智能家居系統(tǒng)的控制以及執(zhí)行設備。智能終端包括一個ZigBee模塊負責無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。其中，射頻（RF）通信模塊的核心部分采用CC2420射頻收發(fā)器，CC2420是TI/Chipcon公司在2003年底推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標準的射頻收發(fā)器，也是第一款適用于ZigBee產品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術，以0.18μm CMOS工藝制成，具有很高的集成度。該芯片體積小、功率低，其選擇性和敏感性指數(shù)都超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用該芯片開發(fā)的無線通信設備支持數(shù)據(jù)傳輸速率高達250kbps，可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網，非常適合用于家庭及樓宇自動化、工業(yè)監(jiān)控等應用系統(tǒng)。CC2420外圍電路的原理圖見圖2。

5 結束語

本文主要探討了ZigBee技術與智能家居系統(tǒng)的應用前景及基于該技術的家庭無線傳感器網絡構建與應用。這種方式在現(xiàn)實生活中具有很強的應用性，相信在不遠的將來，會有越來越多由ZigBee技術延伸而出的設備投入應用，并將極大地改善我們的生活方式。

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作者簡介：

朱紅，沈陽建筑大學高級工程師，主要研究方向為建筑智能化。

劉承憲，沈陽建筑大學講師，主要研究方向為建筑節(jié)能。

王琦，沈陽建筑大學講師，主要研究方向為建筑設計及理論。

Abstract：With continuous improvement of living standards，people have an increasing requirement on the residential function.Intelligent household has been a hope of human，which can realize communication between substance and human，whenever and wherever householders find out the home status and control them.Smart home can also make life safer，more comfortable and convenient.The emergence of the internet of things technology provides a good technical foundation and brings new development opportunities to smart home.In this paper，based on the ZigBee technology of smart home system related technology research，analysis of the ZigBee system structure and network topology，introduces the ZigBee technology in smart home system，and design a smart home system based on Zigbee technology.

Keywords：ZigBee，Wireless network，Intelligent home

陳品祿/責任編輯