Zigbee技術(shù)在智能家居網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中的應(yīng)用

王海燕

(1.濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 基礎(chǔ)部，河南 濟源 459000；2.河南理工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 焦作 454000)

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Zigbee技術(shù)在智能家居網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中的應(yīng)用

王海燕1,2

(1.濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 基礎(chǔ)部，河南 濟源 459000；2.河南理工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 焦作 454000)

摘要：基于Zigbee的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、3G模塊的智能家居環(huán)境設(shè)計層出不窮，在網(wǎng)絡(luò)智能化方面發(fā)揮著巨大的作用.設(shè)計了基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)組建、互聯(lián)、APP終端登錄一體化的智能家居控制網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng).闡述了Zigbee技術(shù)和智能家居概念，介紹了系統(tǒng)整機工作原理及設(shè)計流程，并設(shè)計系統(tǒng)軟件與硬件配置.本設(shè)計理念與系統(tǒng)方案對Zigbee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及智能控制提供依據(jù).

關(guān)鍵詞：Zigbee技術(shù)；智能家居；物聯(lián)網(wǎng)；整機設(shè)計

0引言

智能家居是通過無線設(shè)備及終端控制實現(xiàn)家電等生活用品的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化控制.目前智能家電只限制于一些簡單電器，如電視、冰箱等的控制，沒有形成系統(tǒng)的智能化管理，家電控制技術(shù)也不太完善[1-2].通過移動終端客戶端登錄家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，查看家電運行狀況是一種研究方向.該系統(tǒng)中，家電使用數(shù)據(jù)被存儲在網(wǎng)絡(luò)中，上傳至移動網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)終端登錄控制[3].但是目前用于無線通信的設(shè)備和技術(shù)較多，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在快速發(fā)展，一種基于Zigbee(紫蜂協(xié)議)技術(shù)的無線通信技術(shù)應(yīng)運而生[4].Zigbee技術(shù)是通過自己組網(wǎng)，完成網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器連接，并將一些光、熱、電信號轉(zhuǎn)化為可以傳送的數(shù)據(jù)，通過終端調(diào)控，實現(xiàn)信號處理[5-6].通過在家用電器中布置Zigbee節(jié)點，節(jié)點處的傳感器采集信號后，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器處理成數(shù)據(jù).通過設(shè)計終端APP，利用家庭賬號登錄，實現(xiàn)家用電量、用電狀態(tài)等信息的查看和控制.本文設(shè)計一種基于Zigbee的智能家居控制系統(tǒng)，介紹了基本Zigbee功能和智能家居概念，研究內(nèi)容為目前智能家居控制提供依據(jù).

1Zigbee技術(shù)及智能家居概念

1.1Zigbee技術(shù)簡介

圖1　Zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Stack chart of Zigbee protocol

Zigbee顯著的特征：低速率、低功耗、短時延、免許可無線通信頻段、多種組網(wǎng)方式、近距離通信、可靠數(shù)據(jù)傳輸、大容量網(wǎng)路、自配置、三級安全模式[7].這些特性完全可以滿足本項目的需求.當(dāng)前Zigbee無線傳輸技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，而且，對于現(xiàn)有的Zigbee產(chǎn)品的實用性和簡易操作，還有Zigbee模塊低功耗、短距離、安全性高的特點，可以很方便地組建一個家庭局域網(wǎng).然后可以將其接入Internet，移動終端就可以通過自主研發(fā)的APP來操控整個家居系統(tǒng).Zigbee在低信噪比的環(huán)境下具有很強的抗干擾性能[8].完整的Zigbee由五個層次組成，包括：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用匯聚層以及應(yīng)用層.各層的包含關(guān)系及設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)由專門的制造商設(shè)定，如圖1所示.

利用Zigbee技術(shù)設(shè)定智能家居網(wǎng)絡(luò)具有較大優(yōu)勢.由于它是通過設(shè)置節(jié)點來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)無線通信，可以形成星形、網(wǎng)形以及簇形三種傳播形式[9].另外，受到傳輸距離的限制，Zigbee非常適合安裝在家庭內(nèi)并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，在低距離、快速通信方面作用明顯.相對于藍牙傳輸和FSK電臺的無線傳送，Zigbee技術(shù)在功耗、成本、數(shù)據(jù)采集方面具有明顯優(yōu)勢[10].Zigbee與藍牙性能的比較如表1所示.

表1　Zigbee和藍牙性能比較

在相同的環(huán)境中，Zigbee抗干擾性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于藍牙和WLAN.Zigbee的抗干擾性能是藍牙、WLAN和FSK的1000倍.Zigbee技術(shù)采用抗干擾設(shè)計.Zigbee在物理層采用高處理增益的直序/頻率快變DS/FA技術(shù)；Zigbee的處理增益越大，抗干擾和抗多徑時延擴展的能力也越強；Zigbee具備的頻率快變就是改變頻率，以避開從一個已知干擾源或信號源來的影響的能力;實驗證明IEEE 802.15.4/Zigbee的誤碼率，特別是在信噪比為4dB的情況下可達到 10-9；達到同樣誤碼率，藍牙/ 802.15.1 信噪比要達15 dB，802.11b要達11 dB，Zigbee的抗干擾性能明顯高于藍牙和WLAN技術(shù).

1.2智能家居概念

智能家居又稱住宅智能化，是智能建筑的重要組成部分.它可以定義為一個過程或者一個系統(tǒng)，該過程(系統(tǒng))利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)構(gòu)建與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)，并將其有機結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理，將智能家居的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂兄腔鄣男聞討B(tài)，為住戶生活提供全方位的信息交換功能，幫助家庭和外部、使用者與家庭環(huán)境之間保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式.

2智能家居系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)為建立智能家居系統(tǒng)，搭建一個基于Zigbee的網(wǎng)絡(luò)，利用APP的無線控制終端，開發(fā)一套APP來操控的智能化家居系統(tǒng).主要包括移動APP終端，家庭用電器的環(huán)境控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)，將家電環(huán)境情況組建一個網(wǎng)絡(luò)，在APP終端登錄網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對家電環(huán)境進行操控.目標(biāo)智能家居系統(tǒng)如圖2所示.

圖2　智能家居示意圖

由圖2可知，在電腦、冰箱等家電上安裝智能的傳感器數(shù)據(jù)采集裝置，通過設(shè)置Zigbee節(jié)點，將這些信號轉(zhuǎn)化為可傳輸?shù)臄?shù)字信號，并根據(jù)節(jié)點排列.通過Zigbee組網(wǎng)模塊設(shè)計專門網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)為目前3G移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò).設(shè)計移動客戶端，在客戶終端APP通過3G網(wǎng)絡(luò)登錄，便可以查看所傳輸?shù)男盘?通過設(shè)計遙控器，可以在家庭中隨時控制家電的開關(guān)，還可以加入語音播報、光聲控制的環(huán)節(jié)，實現(xiàn)智能化控制.將所有家電組成一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)家庭內(nèi)網(wǎng)絡(luò)化控制.

2.2系統(tǒng)組成

本設(shè)計系統(tǒng)主要部分包括，移動終端APP、家庭電器環(huán)境系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng).

1)移動客戶端APP.移動的APP客戶端，滿足隨時隨地監(jiān)測家電的使用情況，并通過聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對家電的控制，簡單并易于操作，能夠適用不同的需求.在智能手機普及的情況下，移動終端可通過網(wǎng)絡(luò)安裝APP，APP為存儲數(shù)據(jù)庫寶庫客戶名、客戶密碼及實時用電環(huán)境，需要調(diào)用已經(jīng)傳輸并存儲的數(shù)據(jù)庫內(nèi)容.登錄終端設(shè)計為一鍵處理形式，避免因操作問題產(chǎn)生錯誤控制.

2)家居電器環(huán)境系統(tǒng).在不同家庭用電器上安置Zigbee模塊，用于監(jiān)測和控制各個電器的工作與運行，采用鋰電池供電，實現(xiàn)斷電正常工作.將所有家用電器模塊通過組建模塊與協(xié)調(diào)器連接，實現(xiàn)家電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸.Zigbee模塊包含多種電量檢測的傳感器，傳感器安裝在電器的插線接口處，傳感器檢測的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理成為電信號，完成電量檢測的工作.

3)無線通信系統(tǒng).各個家電為Zigbee終端，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，安置協(xié)調(diào)器，接入網(wǎng)絡(luò).在APP終端連入網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對不同的家電控制.家電終端不斷發(fā)送數(shù)字信號，通過已經(jīng)組建好的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)，客戶通過登錄終端賬號，在交互式界面上選擇需要觀察的內(nèi)容，并實現(xiàn)一鍵處理，簡單便利.

2.3系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)流程

圖3　整機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3　Whole system configuration diagram

1)系統(tǒng)總機設(shè)計.智能家居的總機包括兩大部分，具體為：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(FFD)、檢測終端及節(jié)點Zigbee模塊.網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器具有實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)的組建，數(shù)據(jù)信息的接收和處理與監(jiān)測主機通信等功能.FFD是網(wǎng)絡(luò)的核心環(huán)節(jié)，如果受到Zigbee模塊傳輸距離的限制，在傳輸路徑安裝節(jié)點Zink，其可以接收并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息.監(jiān)測終端采集數(shù)據(jù)后，由無線發(fā)射傳送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，然后由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器傳送到PC機處理，一個節(jié)點Zink主要包含處理器、測量傳感器等.整機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示.

2)系統(tǒng)硬件設(shè)計.系統(tǒng)硬件主要包括一個FFD，一個或多個Zink充當(dāng)終端設(shè)備.在實驗階段，先搭建只有一個Zink的系統(tǒng).不論是FFD還是Zink,核心部分都是處理器，目前使用較多的是TI公司的二代SOC CC2530系列.考慮性價比和系統(tǒng)功能需要，選擇CC2530F64，它包含8051內(nèi)核，前端有RF無線收發(fā)功能，8KBRAM，64KB FLASH，12位ADC，21個通用GPIO，在此基礎(chǔ)上配置串行通信接口就可以構(gòu)成一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器.

3)系統(tǒng)軟件設(shè)計.系統(tǒng)軟件是通過CC2530網(wǎng)絡(luò)平臺，一方面實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建，即程序掃描、初始化、加載節(jié)點數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理與驗收、數(shù)據(jù)發(fā)送等.另一方面是終端節(jié)點程序內(nèi)容外接口數(shù)據(jù)初始化、加入網(wǎng)絡(luò)、傳感器的邏輯控制、數(shù)據(jù)采集與接收等.軟件程序與硬件接口設(shè)置相一致，實現(xiàn)這個數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)調(diào)一致.

3結(jié)束語

無線傳感技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)項統(tǒng)一配合是目前物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個主要方向.目前無線傳感與家電、交通、機械等其他無法直接檢測的設(shè)備配合，實現(xiàn)智能家居設(shè)計、智能公交系統(tǒng)、智能在線檢測等，越來越多的自動控制技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提供了幫助.本文考慮家居網(wǎng)絡(luò)化的情況設(shè)計出家庭網(wǎng)絡(luò)組建與手機APP結(jié)合的技術(shù)，大大便利了人們對家庭用電情況的把握和控制.

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Application of Zigbee Technology on Network Settings of Smart Home

WANG Haiyan1,2

(1.Basic Department, Jiyuan Vocational and Technical College, Jiyuan 459000, China; 2.Institute of ComputerScienceandTechnology,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

Abstract:Based on Zigbee Things technology and 3G module, smart home environment design plays an important role in terms of network intelligence. Designed intelligent home control networking systems based on integration of Zigbee networking, Internet and APP terminal login . Describes the Zigbee technology and smart home concept, introduces the principle of the whole system and design process, and designs system software and hardware configuration. The design and system solutions provide the basis for Zigbee network applications and intelligent control.

Key words:Zigbee technology; intelligent home; things; integral machine design

收稿日期：2016-01-22

作者簡介：王海燕(1984—),女,河南濟源人，濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院基礎(chǔ)部教師，河南理工大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在讀碩士研究生.

doi：10.3969/j.issn.1007-0834.2016.02.006

中圖分類號：TN923

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-0834(2016)02-0024-03