基于ZigBee無線技術(shù)的智能家居方案

文/鐘依平

隨著社會經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、家庭人口結(jié)構(gòu)以及信息技術(shù)的發(fā)展變化，人們對家居環(huán)境的安全性、舒適性、效率性、透明性提出了更高的要求。同時越來越多的家庭要求家居產(chǎn)品不僅要具備簡單的智能，更要求整個系統(tǒng)在功能擴(kuò)展、外延以及服務(wù)方面能夠做到簡單、方便、輕松、安全。很顯然，我們的家居生活需要改變。

物聯(lián)網(wǎng)智能家居與傳統(tǒng)智能家居的區(qū)別

傳統(tǒng)意義上一般都認(rèn)為智能家居是帶來生活品質(zhì)的提升，其實(shí)物聯(lián)網(wǎng)型智能家居正在改變這些觀點(diǎn)，最顯著的變化就是實(shí)用、方便、易整合。每一個家庭中都存在著各種電器，不管是號稱智能的冰箱、空調(diào)還是傳統(tǒng)的電燈、電視一直以來由于標(biāo)準(zhǔn)不一都是獨(dú)立工作的，從系統(tǒng)的角度來看，他們都是零碎的、混亂的、無序的，并不是一個有機(jī)的、可組織的整體，作為家庭的主人面對這些雜亂無章的電器其消耗的時間成本、管理成本、控制成本通常都是很高的并且是非必要的。

無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，給傳統(tǒng)的智能電器、智能家居帶來了新的產(chǎn)業(yè)機(jī)會，通過它可以將家中的各種電器通過無線方式非常方便地有機(jī)組織起來，形成一個完整的系統(tǒng)，從而可以實(shí)現(xiàn)無縫感知并完整管理。這種以前無法想象并深具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用今天一旦使用無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接就會變得輕松、方便并且非常有趣。這些應(yīng)用并不僅僅是生活品質(zhì)的提高，更大程度上可以看作是現(xiàn)代家庭的一種最基本需求。

相比物聯(lián)網(wǎng)智能家居，傳統(tǒng)的智能家居不易擴(kuò)展，靈活性低，兼容性差，升級成本昂貴，維護(hù)成本高。

常用智能家居技術(shù)介紹及比較

雖然智能家居的概念很早就出現(xiàn)，市場需求也一直存在，但長期以來智能家居的發(fā)展由于受制于相關(guān)技術(shù)的突破，一直沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用普及。目前市場存在的智能家居技術(shù)介紹如下：

有線方式

這種方式所有的控制信號必須通過有線方式連接，控制器端的信號線更是多得嚇人，一旦遇到問題排查也相當(dāng)困難。有線方式缺點(diǎn)非常突出，布線繁雜、工作量大、成本高、維護(hù)困難、不易組網(wǎng)、擴(kuò)展性差。這些缺點(diǎn)最終導(dǎo)致有線方式的智能家居只停留在小規(guī)模試點(diǎn)階段，無法大規(guī)?？焖偻茝V。

無線方式

用于智能家居的無線系統(tǒng)需要滿足幾個特性：低功耗、穩(wěn)定、易于擴(kuò)展組網(wǎng)；至于傳輸速度顯然不是此類應(yīng)用的重點(diǎn)。

目前幾種可用于智能家居的無線方式∶

藍(lán)牙：是一種支持設(shè)備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無線電技術(shù)。能在包括移動電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。但這種技術(shù)通訊距離太短，同時屬于點(diǎn)對點(diǎn)通訊方式，對于智能家居的要求來說根本不適用。

另外需要說明的是藍(lán)牙最近推出了4.0標(biāo)準(zhǔn)，這種新標(biāo)準(zhǔn)采用了低功耗設(shè)計，通訊距離也達(dá)到2.4G無線信號的范圍，但其缺陷依然明顯，安全性、組網(wǎng)能力和抗干擾能力不夠，更沒有網(wǎng)絡(luò)自愈功能。藍(lán)牙的泄密事件非常普遍，新標(biāo)準(zhǔn)的組網(wǎng)規(guī)模一般不能超過300個，同時藍(lán)牙很容易被干擾。

WiFi：其實(shí)就是IEEE802.11b的別稱，是由一個名為“無線以太網(wǎng)相容聯(lián)盟”（Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA）的組織所發(fā)布的業(yè)界術(shù)語，中文譯為“無線相容認(rèn)證”。它是一種短程無線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百米范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無線電信號。它的最大特點(diǎn)就是方便人們隨時隨地接入互聯(lián)網(wǎng)。但對于智能家居應(yīng)用來說缺點(diǎn)卻很明顯，功耗高、組網(wǎng)能力差、安全性低。所以wifi雖然非常普及，但在智能家居的應(yīng)用中只是起到輔助補(bǔ)充的作用。

315M/433M：這些無線射頻技術(shù)廣泛運(yùn)用在車輛監(jiān)控、遙控、遙測、小型無線網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標(biāo)簽、身份識別、非接觸RF等場所，也有廠商將其引入智能家居系統(tǒng)，但由于其抗干擾能力弱，組網(wǎng)不便，可靠性一般，標(biāo)準(zhǔn)混亂，安全性很低，在智能家居中的應(yīng)用效果差強(qiáng)人意，泛善可陳，最終被主流廠商拋棄。

ZigBee：Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE802.15。但I(xiàn)EEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟擴(kuò)展了IEEE，對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。ZigBee是一種新興的近程、低速率、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線連接。具有低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、自組網(wǎng)、高可靠、高安全的特點(diǎn)。主要適合應(yīng)用于自動控制和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的、低功耗、自組網(wǎng)的近程無線通訊技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)背景下智能家居的理解

物聯(lián)網(wǎng)一個重要特征就是能夠快速大規(guī)模部署并能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行，這樣的特征就要求我們的家居產(chǎn)品必須具備無線、無縫、綠色、安全、可靠的能力，從這些基本能力來看，傳統(tǒng)的所謂智能家居產(chǎn)品顯然已經(jīng)不能適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)時代的要求。

ZigBee最初預(yù)計的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括消費(fèi)電子、能源管理、衛(wèi)生保健、家庭自動化、建筑自動化和工業(yè)自動化。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，ZigBee又獲得了新的應(yīng)用機(jī)會。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)邊緣應(yīng)用最多的就是傳感器或控制單元，這些是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的最基礎(chǔ)最核心最廣泛的單元細(xì)胞，而ZigBee能夠在數(shù)千個微小的傳感傳動單元之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，并且這些單元只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳到另一個節(jié)點(diǎn)，所以它的通信效率非常高。這種技術(shù)低功耗、抗干擾、高可靠、易組網(wǎng)、易擴(kuò)容，易使用，易維護(hù)、便于快速大規(guī)模部署等特點(diǎn)順應(yīng)了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的要求和趨勢。從技術(shù)的角度看，物聯(lián)網(wǎng)和ZigBee技術(shù)在智能家居、健康保健、工農(nóng)業(yè)監(jiān)測等方面的應(yīng)用有著很大的融合性，而相對其他無線技術(shù)而言，ZigBee以其在投資、建設(shè)、維護(hù)、標(biāo)準(zhǔn)化（國際HA標(biāo)準(zhǔn)）等方面的優(yōu)勢，必將在物聯(lián)網(wǎng)型智能家居領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用。

ZigBee與常用無線技術(shù)的主要優(yōu)勢

從組網(wǎng)能力來看，由圖1、圖2、圖3可以看出藍(lán)牙、Wi-Fi、315M/433M等無線技術(shù)只適用簡單的星型網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)能力有限，不具備網(wǎng)絡(luò)修復(fù)能力，而ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠組成除星型網(wǎng)絡(luò)之外的樹狀網(wǎng)和更復(fù)雜的網(wǎng)狀網(wǎng)。

從安全性來看，ZigBee具備特有的安全層，采用128K的高級加密技術(shù)，具有非常高的安全性。而藍(lán)牙、Wi-Fi、315M/433M等無線技術(shù)的安全性普遍較差，泄密事件頻發(fā)。

從可靠性來看，ZigBee同時采用了跳頻和擴(kuò)頻技術(shù)，有著極強(qiáng)的抗干擾能力，而藍(lán)牙、Wi-Fi、315M/433M等無線技術(shù)的抗干擾能力一般，特備是315M/433M射頻更容易被空中截碼并很容易被模擬，可靠性很低。ZigBee智能家居邏輯架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1：（藍(lán)牙、WiFi、ZigBee適用）

圖2：（ZigBee適用，藍(lán)牙、WIFI不適用）

圖3：（ZigBee適用，藍(lán)牙、WIFI不適用）

與傳統(tǒng)智能家居相比具有如下特點(diǎn)：

·具有安全層，安全性好，采用高級加密技術(shù)，至今在全球沒有破解先例。

·同時采用跳頻和擴(kuò)頻技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)。

·采用經(jīng)過全球市場多年檢驗(yàn)的通訊標(biāo)準(zhǔn)，可靠性高。

·自組網(wǎng)能力強(qiáng)，組網(wǎng)規(guī)模大，最大網(wǎng)絡(luò)可負(fù)擔(dān)6萬多設(shè)備。

·具備網(wǎng)絡(luò)自愈能力，任何節(jié)點(diǎn)的掉線或崩潰不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定。

·功耗低，很多傳感器使用普通電池供電可以工作1年以上。

·兼容能力強(qiáng)，可伸縮，采用國際通用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以兼容其它品牌的設(shè)備，隨時可擴(kuò)容擴(kuò)展。

·全覆蓋，無盲區(qū)，具有有線方式無法企及的優(yōu)勢。

·與云端無縫鏈接，方便管理、溯源和及時感知并控制。

ZigBee智能家居配置方案

作為一個標(biāo)準(zhǔn)的智能家居,不僅要做到舒適、環(huán)保、方便，還需要提供更健康和更安全的保證，公寓型智能家居一般需要以下配置：

無線網(wǎng)關(guān)。是無線傳感器和無線聯(lián)動控制設(shè)備的信息收集、控制終端，也是手機(jī)和這些家庭設(shè)備通信、控制的橋梁。所有傳感、探測器將收集到的信息都通過無線網(wǎng)關(guān)傳到授權(quán)手機(jī)、平板電腦、電腦等管理設(shè)備，另外控制命令由管理設(shè)備通過無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送給聯(lián)動設(shè)備。

比如家中無人時門被打開，門磁偵測到有人闖入，則將闖入報警通過無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送給主人手機(jī)，手機(jī)收到信息發(fā)出震動鈴聲提示，主人確認(rèn)后發(fā)出控制指令，電磁門鎖自動落鎖并觸發(fā)無線聲光報警器發(fā)出報警。

無線云智能鎖。鑰匙和鎖作為一個古老的防范工具已經(jīng)存在了很多年，傳統(tǒng)機(jī)械鎖一直存在著安全系數(shù)不高，鎖具采用一些簡易工具就能被輕松打開，鑰匙也很容易被復(fù)制的缺點(diǎn)。今天，隨著技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)已經(jīng)成為隨身攜帶的最重要的工具，它不僅是通訊工具，它也可以成為導(dǎo)航工具、支付工具、身份驗(yàn)證工具，而且它更可以成為每天必用的智能鑰匙。物聯(lián)無線云智能鎖可以讓你從此高枕無憂。

丟掉鑰匙吧！下次回家，你只需拿出手機(jī)輸入密碼，門會為你自動打開，另外，你再也不用擔(dān)心忘帶鑰匙或者忘帶手機(jī)，你的家人可以為你遠(yuǎn)程開鎖！

對于安全，智能鎖具有更完善的保護(hù)機(jī)制，任何人開鎖、上鎖、反鎖，你和家人都可以及時掌握。

無線墻面開關(guān)/調(diào)光開關(guān)。該開關(guān)可直接取代家中的墻壁開關(guān)面板，通過它不僅可以像正常開關(guān)一樣使用，更重要的是它已經(jīng)和家中的所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備自動組成了一個無線傳感控制網(wǎng)絡(luò)，可以通過無線網(wǎng)關(guān)向其發(fā)出開關(guān)、調(diào)光等指令。其意義在于主人離家后無需擔(dān)心家中所有的電燈是否忘了關(guān)掉，只要主人離家，所有忘關(guān)的電燈會自動關(guān)閉?；蛘咴谀闼X時你無需逐個房間去檢查燈是否開著，你需要做的只需按下裝在床頭的睡眠按鈕，所有燈光會自動關(guān)閉，同時你夜間起床時，燈光會自動調(diào)節(jié)至柔和，從而保證睡眠的質(zhì)量。

無線溫度濕度傳感器。主要用于探測室內(nèi)、室外的溫度、濕度。雖然絕大多數(shù)空調(diào)都有溫度探測功能，但由于空調(diào)的體積限制，它只能探測到出風(fēng)口空調(diào)附近的溫度，這也正是很多消費(fèi)者感覺感覺其溫度不準(zhǔn)的重要原因。有了無線溫濕度探測器，你就可以確切地知道室內(nèi)準(zhǔn)確的溫濕度。其現(xiàn)實(shí)意義在于當(dāng)室內(nèi)溫度過高或過低時能夠提前啟動空調(diào)調(diào)節(jié)溫度。比如當(dāng)你在回家的路上，家中的無線溫度濕度傳感器探測出房間溫度過高則會啟動空調(diào)自動降溫，等你回家時，家中已經(jīng)是一個宜人的溫度了。

無線智能插座。主要用于控制家電的開和關(guān)，比如通過它可以自動啟動排氣扇排氣，這在炎熱的夏天對于密閉的車庫是一個有趣的應(yīng)用。當(dāng)然它還可以控制任何你想控制的家電，只要將家電的插頭插上無線智能插座即可，比如排氣扇、空氣凈化機(jī)等等。

無線紅外轉(zhuǎn)發(fā)器。這個產(chǎn)品主要是用于家中可以被紅外遙控器控制的設(shè)備，比如空調(diào)、電動窗簾、電視、投影機(jī)等等。通過無線紅外轉(zhuǎn)發(fā)器，你可以通過手機(jī)遠(yuǎn)程遙控空調(diào)，你也可以不用起床就關(guān)閉窗簾等。它可以將傳統(tǒng)的家電立即轉(zhuǎn)換為智能家電。

云紅外入侵探測器。這個產(chǎn)品主要用于防非法入侵，比如當(dāng)你按下床頭的無線睡眠按鈕后，關(guān)閉的不僅是燈光，同時它也會啟動云紅外入侵探測器自動設(shè)防，此時一旦有人入侵就會發(fā)出報警信號并可按設(shè)定自動開啟入侵區(qū)域的燈光嚇退入侵者。或者當(dāng)你離家后它會自動設(shè)防，一旦有人闖入，會通過無線網(wǎng)關(guān)自動提醒你的手機(jī)并接受你手機(jī)發(fā)出的警情處理指令。

無線空氣質(zhì)量探測器。該探測器主要探測臥室內(nèi)的空氣質(zhì)量是否混濁，這對于要回家休息的你很有意義，特別是對有嬰幼兒的家庭尤其重要。它通過探測空氣質(zhì)量告訴你目前室內(nèi)空氣是否影響健康，并可通過無線網(wǎng)關(guān)啟動相關(guān)設(shè)備優(yōu)化調(diào)節(jié)空氣質(zhì)量。

無線門、窗磁感應(yīng)器。主要用于防入侵。當(dāng)你在家時，門、窗磁感應(yīng)器會自動處于撤防狀態(tài)，不會觸發(fā)報警。當(dāng)你離家后，門、窗磁感應(yīng)器會自動進(jìn)入布防狀態(tài)，一旦有人開門或開窗就會通知你的手機(jī)并發(fā)出報警信息。與傳統(tǒng)的門窗磁相比，無線門、窗磁感應(yīng)器無需布線，裝上電池即可工作，安裝非常方便，安裝過程一般不超過2分鐘。另外對于有保險柜的家庭來說，這種傳感器還能夠偵測并記錄下保險柜每次被打開或者關(guān)閉的時間并及時通知授權(quán)手機(jī)。

當(dāng)然這種無線門、窗磁感應(yīng)器同樣可用于自動照明等，比如當(dāng)主人回家開門時，燈光會自動亮起。

無線智能閥門。智能閥門主要用于控制家中的水管，一旦家中漏水，智能閥門會自動關(guān)閉以免造成更大的財產(chǎn)損失。

無線床頭睡眠按鈕。這是個可以固定或粘貼在床頭木板上的電池供電裝置，它的作用主要是幫助你在睡覺時關(guān)閉所有該關(guān)閉的電器同時啟動安全系統(tǒng)進(jìn)入布防狀態(tài)。比如啟動無線紅外防闖入探測器、窗磁、門磁等進(jìn)入預(yù)警布防狀態(tài)。另外它也能幫助你啟動夜間的照明模式，比如當(dāng)你夜間起床時，打開的燈光就會很柔和，而不會像進(jìn)餐時那么明亮，即使這是同一盞燈。

無線可燃?xì)庑孤┨綔y器。該探測器主要是探測家中的燃?xì)庑孤┣闆r，一旦有燃?xì)庑孤谝粫r間切斷燃?xì)忾y門并通知授權(quán)手機(jī)。

云抽屜鎖。這種傳感器對于放有貴重物品的抽屜很有意義，當(dāng)抽屜被非法打開，即使你在千里之外，手機(jī)也會立即收到報警。另外根據(jù)設(shè)置，一旦抽屜被打開，信息就會自動保存在物聯(lián)云端，即使當(dāng)時手機(jī)處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，一旦開機(jī)，報警信息就會推送過來，也可以通過手機(jī)查詢保存在云端的歷史報警信息。

無線煙霧（火警）探測器。用于探測火災(zāi)，它可方便地與無線警報設(shè)備綁定，自動發(fā)出無線觸發(fā)信號，啟動警報器。也可以與授權(quán)手機(jī)或物業(yè)相關(guān)人員綁定，一旦出現(xiàn)火警會第一時間發(fā)出手機(jī)通知。

無線光照傳感器。主要用于探測室內(nèi)光照度，在照度偏低時可聯(lián)動調(diào)光開關(guān)或智能開關(guān)自動開啟照明，也可以在陽光強(qiáng)烈時自動關(guān)閉窗簾遮陽。

太陽能無線紅外電子?xùn)艡?。主要用于圍墻、陽臺等防范非法闖入，這種設(shè)備通過太陽能供電，無須布線，安裝靈活。

無線云體重計。體重對于兒童成長、健康維護(hù)、疾病溯源有著重要的參考價值，無線云體重計可以幫助家庭成員記錄、保存體重數(shù)據(jù)。這種體重計可以方便地連接手機(jī)，在任何時間任何地點(diǎn)隨時調(diào)閱歷史體重資料。

無線自動窗簾。自動窗簾可以根據(jù)時間、光照強(qiáng)度、控制命令、情景模式自動打開。

無線緊急按鈕。在遇到緊急情況時按下緊急按鈕，求救信息會立即發(fā)送到授權(quán)手機(jī)、物管中心，同時可以啟動現(xiàn)場警報系統(tǒng)。

無線自動開窗器。自動開窗器可以協(xié)助家庭通風(fēng)、避雨。

無線自動遮陽篷。自動能夠根據(jù)陽光強(qiáng)度、雨水等自動伸縮調(diào)節(jié)，也可通過手機(jī)或開光控制。

以上是一個典型的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)，當(dāng)然物聯(lián)網(wǎng)帶來的神奇之處在于你可以根據(jù)自身的需要自由組合或DIY，所有的安裝都不需要專業(yè)人員的參與，一個普通的消費(fèi)者即可完成，這也是物聯(lián)網(wǎng)型智能家居產(chǎn)品與傳統(tǒng)智能家居產(chǎn)品的一個重要區(qū)別。

結(jié)束語

物聯(lián)網(wǎng)型智能家居，讓業(yè)主無論身處何地，都可以及時洞悉家中的風(fēng)吹草動，它可以將風(fēng)險降到最低，舒適升到最佳，效率達(dá)到最優(yōu)。從此不必?fù)?dān)心外出后忘記了關(guān)燈、關(guān)門，不用擔(dān)心浪費(fèi)能源和時間，也不必?fù)?dān)心室內(nèi)空氣污濁，更不必?fù)?dān)心陌生的闖入者，盡可以輕松享受高質(zhì)量的生活。