基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐磊+徐霄瀚+王強(qiáng)

摘 要：隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，智能家居的應(yīng)用日益廣泛。智能家居不但具有傳統(tǒng)意義上的居住功能，更為重要的是為人們提供一個(gè)安全舒適的家庭生活空間。智能家居通過(guò)智能系統(tǒng)為人們提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，不但為人們有效合理地安排了時(shí)間，增強(qiáng)家居生活的安全性，而且可以節(jié)約各種能源費(fèi)用。該文介紹，無(wú)線通信ZigBee技術(shù)可對(duì)智能家居進(jìn)行控制，使其具有低成本、低功耗的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)安防監(jiān)控、室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)、手機(jī)APP監(jiān)控等功能。

關(guān)鍵詞：智能家居 ZigBee 低功耗 APP監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）01（b）-0001-02

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，生活水平的提高，生活節(jié)奏的加快，設(shè)計(jì)一種智能化的居住環(huán)境可以為人們的生活提供各種便利。同時(shí)，人們也渴望一種智能化的居住環(huán)境，保證生活的安全性、快捷性便利性。智能家居融合了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。該文介紹，智能家居控制系統(tǒng)采用了ZigBee技術(shù)。系統(tǒng)的架構(gòu)和總體設(shè)計(jì)為：通過(guò)ZigBee技術(shù)，使用CC2530作為無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心芯片，CC2530連接傳感器，構(gòu)成節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)之間采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組成智能家居傳感網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)設(shè)備可以對(duì)家居環(huán)境內(nèi)的狀態(tài)信息進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)預(yù)處理。該系統(tǒng)雖然不足以反映現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)的全貌，但是在某些方面體現(xiàn)出智能家居的方便性和實(shí)用性，以及其廣泛的應(yīng)用前景。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。它的特點(diǎn)是近距離、低功耗等，主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，同時(shí)可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問(wèn)控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等。其中物理層和媒體訪問(wèn)控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。ZigBee的特性如下所示：（1）在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。這是ZigBee的最突出優(yōu)勢(shì)之一。相比較而言，藍(lán)牙能工作數(shù)周，WiFi可工作數(shù)小時(shí)。（2）低成本，而且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)。（3）低速率，能夠滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。（4）近距離，傳輸范圍一般在10～100 m之間，在增加發(fā)射功率后，能夠增加到1～3 km。（5）短時(shí)延，ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms。（6）高容量，最多可組成65 000 個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。（7）高安全，ZigBee提供了三級(jí)安全模式。

ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)完全符合家庭網(wǎng)絡(luò)通訊的需求，因此選擇ZigBee技術(shù)作為智能家居的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2 智能家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

該系統(tǒng)以家庭為單元進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝，每個(gè)家庭都需要安裝一個(gè)家庭網(wǎng)關(guān)以及若干個(gè)ZigBee子節(jié)點(diǎn)。在家庭網(wǎng)關(guān)和每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上都安裝一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊，通過(guò)這些無(wú)線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行傳送，再通過(guò)上位機(jī)或者手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。其系統(tǒng)組成如圖1所示。

該次設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)采用目前市場(chǎng)上較為流行的手機(jī)APP進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。不僅開(kāi)發(fā)時(shí)的安裝及調(diào)試十分便利，而且用戶操作也非常方便。另外通過(guò)硬件的設(shè)計(jì)制作出模擬的智能家居系統(tǒng)，再將智能家居系統(tǒng)中檢測(cè)到的參數(shù)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP中。在模擬時(shí)，通過(guò)串口調(diào)試工具可以實(shí)時(shí)顯示各個(gè)傳感器信息。

該次設(shè)計(jì)的主要功能分為3個(gè)方面：安全性、智能性和快捷性。

安全性方面需注意以下幾點(diǎn)。

（1）對(duì)廚房的天然氣泄漏進(jìn)行監(jiān)控。

（2）對(duì)家庭內(nèi)進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測(cè)和預(yù)防。

（3）對(duì)廚房和臥室的煙霧進(jìn)行監(jiān)控。

（4）通過(guò)熱釋紅外來(lái)識(shí)別門(mén)的狀態(tài)。

（5）通過(guò)手機(jī)APP對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

智能性方面需注意以下幾點(diǎn)。

（1）使用雨水傳感器來(lái)控制窗戶的開(kāi)關(guān)。

（2）使用光敏傳感器來(lái)控制窗簾的開(kāi)關(guān)。

（3）使用光敏傳感器來(lái)控制電燈的亮滅。

（4）使用溫度傳感器來(lái)模擬調(diào)節(jié)空調(diào)的模式。

（5）使用溫濕度傳感器來(lái)控制加濕器工作。

（6）通過(guò)手機(jī)APP對(duì)家庭中各種設(shè)備進(jìn)行控制。

快捷性方面需注意以下幾點(diǎn)。

（1）將智能家居系統(tǒng)中檢測(cè)到的參數(shù)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP中。

（2）通過(guò)手機(jī)APP觀察家中各種用電設(shè)備的工作情況。

3 智能家居發(fā)展現(xiàn)狀及未來(lái)趨勢(shì)

智能家居理念雖然在很早就已經(jīng)進(jìn)入中國(guó)老百姓的視野，但是由于我國(guó)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的局限性，智能家居一直沒(méi)能得到很好的推廣和發(fā)展。綜合多種因素，總結(jié)出限制我國(guó)智能家居發(fā)展的原因有如下幾點(diǎn)：（1）未能制定出一套合理可行的行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；（2）跨產(chǎn)業(yè)合作不足和社會(huì)合作不夠完善；目前我國(guó)的社會(huì)服務(wù)體系尚未健全，缺乏相應(yīng)的供應(yīng)鏈和接收鏈，網(wǎng)絡(luò)家電難以應(yīng)用于整個(gè)社會(huì)的服務(wù)。

我國(guó)智能家居未來(lái)發(fā)展將以實(shí)現(xiàn)“大家?guī)〖摇钡陌l(fā)展模式，實(shí)現(xiàn)安裝滿足符合中國(guó)家庭實(shí)際需要的智能系統(tǒng)以及實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、環(huán)保的智能家居模式為目標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用以及系統(tǒng)解決方案實(shí)施，智能家居將進(jìn)一步從單一的產(chǎn)品銷(xiāo)售轉(zhuǎn)變?yōu)樘峁┫到y(tǒng)集成服務(wù)和整體的解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)從傳統(tǒng)零售業(yè)向現(xiàn)代服務(wù)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。在現(xiàn)代家庭中，人們對(duì)個(gè)性化的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，DIY智能化設(shè)計(jì)將引領(lǐng)智能家居。智能家居作為一個(gè)新型產(chǎn)業(yè)，目前處于一個(gè)導(dǎo)入期與成長(zhǎng)期的臨界點(diǎn)，市場(chǎng)消費(fèi)觀念還未形成，但隨著智能家居市場(chǎng)推廣普及的進(jìn)一步落實(shí)，倘若培育起消費(fèi)者的使用習(xí)慣，智能家居市場(chǎng)的消費(fèi)潛力必然是巨大的，產(chǎn)業(yè)前景光明。智能家居的未來(lái)發(fā)展，主要是在基于多個(gè)領(lǐng)域新技術(shù)的基礎(chǔ)上，不斷彌補(bǔ)和改進(jìn)目前智能家居系統(tǒng)的缺點(diǎn)和不足，使得智能家居系統(tǒng)更加完善、功能更加強(qiáng)大，進(jìn)一步提高智能家居的舒適性和安全性。

綜上所述，該文通過(guò)無(wú)線通信ZigBee技術(shù)對(duì)智能家居進(jìn)行控制的介紹，展示智能家居在現(xiàn)代生活中的必要性。

參考文獻(xiàn)

[1] 邱凌.淺談智能家居[J].網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)應(yīng)用與自動(dòng)化，2008（5）：1-2.

[2] 周怡.ZigBee無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].自動(dòng)化儀表，2005，26（6）.

[3] 王權(quán)平.ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電信科技，2004（1）：33-37.

[4] 高小平.中國(guó)智能家居的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J].電器與能效管理技術(shù)，2005（4）：18-21.

[5] 楊誠(chéng)，聶章龍.ZigBee網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的分析與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2009，26（12）：219-221.