ZigBee技術(shù)在家居智能中的應用

王加梁

摘 要：今天人們的生活水平和生活質(zhì)量隨著科技的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，而得到了大幅度的提高。因此人們對家庭居住環(huán)境提出了更高的要求，希望家居生活更加智能化、人性化。智能家居因此進入了人們的視線。智能家居是一項綜合性的技術(shù)，綜合了計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化以及傳感器等多門學科，同時又融入了人文科學等內(nèi)容。通過各項先進技術(shù)的綜合管理，使得人們的生活更加舒適化、高效節(jié)能。家居智能中的控制需要連接許多設(shè)備節(jié)點，這些設(shè)備控制命令較少，但需要長時間在線，所以需要家居智能中的傳感器具有低速、低功耗、壽命長等特點。該文通過對智能家居的簡要介紹，包括智能家居產(chǎn)生背景以及智能家居發(fā)展歷程；比較了幾種無線通信技術(shù)，詳細介紹了ZigBee技術(shù)的特點和優(yōu)勢；最后對整個家居智能系統(tǒng)的設(shè)計作了介紹，并詳細介紹了ZigBee技術(shù)在溫度傳感器中的使用。

關(guān)鍵詞：ZigBee 家居智能 溫度傳感器

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（a）-0038-02

1 引言

1.1 智能家居簡介

人們的生活水平和質(zhì)量隨著科技的進步和經(jīng)濟發(fā)展，而得到了大幅度的提高。因此人們對家庭居住環(huán)境提出了更高的要求，希望家居生活更加智能化、人性化。智能家居應運而生。智能家居是一項綜合性的技術(shù)，綜合了計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字化以及傳感器等多門學科，同時又融入了人文科學等。通過各項技術(shù)的綜合管理，使得人們的生活更加舒適化、高效節(jié)能。家居智能系統(tǒng)的核心技術(shù)是：對于內(nèi)部家庭的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建以及智能控制。內(nèi)部的家庭網(wǎng)具有兩種方式進行組網(wǎng)，即無線網(wǎng)絡(luò)或者有線網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)采用的都是有線網(wǎng)絡(luò)的方式，采用綜合布線實現(xiàn)智能家居。但是這種布線使得成本急劇上升，安裝十分復雜。因此人們逐漸轉(zhuǎn)向無線傳感方面[1]。

家居智能大體上分為兩種類型：家庭的控制網(wǎng)絡(luò)以及家庭的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。家庭的控制網(wǎng)絡(luò)能夠使得不同的網(wǎng)絡(luò)之間進行數(shù)據(jù)的傳輸，同時也能夠相互之間進行通信以及網(wǎng)絡(luò)等功能。當然這些控制都是低速的，可控制照明燈光、家庭的安防以及應急等實用功能。家居智能中的控制需要連接很多設(shè)備節(jié)點，這些節(jié)點又都需要電池供電。因此，需要家居智能中的傳感器具有低速、低功耗、壽命長等特點。

1.2 智能家居發(fā)展歷程

傳統(tǒng)的智能家居都是通過有線的布線方式進行組建的，這樣做固然能夠使得數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，但是卻帶來了許多問題。人們逐漸采用無線傳感器進行數(shù)據(jù)傳輸，包括：藍牙、WiFi、紅外以及ZigBee等。這些網(wǎng)絡(luò)無線技術(shù)的逐漸完善，使得家居智能取得了質(zhì)的飛躍。

20世紀80年代在美國建成了第一棟智能建筑，智能建筑逐漸有了新的概念。此后世界各國都提出了很多基于家居的智能方案。這些智能家居方案在歐美等發(fā)達地區(qū)以及日本等的應用十分廣泛[2]。

20世紀90年代末期，新加坡舉辦了活動“98亞洲家庭電器與電子消費品國際展覽會”。在這次展覽大會上，新加坡提出了基于本國的家居智能系統(tǒng)。這個家居智能系統(tǒng)主要是包括了很多實用功能：智能的家庭控制面板、智能的接入寬帶功能、控制家電功能、接入有線電視功能、安防應用以及抄送三表等功能。雖然這些功能在當時只是一個概念，并沒有完全融入人們的日常生活中。但是人們相信隨著科技的發(fā)展，家居智能必將服務現(xiàn)代人們，使得人們能夠具有高質(zhì)量的生活。

2 無線通信技術(shù)簡介

2.1 藍牙技術(shù)

藍牙是一種短距離的無線通信技術(shù)。通過藍牙技術(shù)，我們能夠通過無線的方式，使筆記本電腦、移動電話和無線耳機等各種設(shè)備間進行信息交換。我們能夠通過藍牙實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，但是藍牙的連接時間很長，大概需要3～10 s的時間。藍牙技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率是1Mbps，主要采用了時分雙工傳輸方案實現(xiàn)了全雙工傳輸。藍牙支持點對多點和點對點的通信，采用了快跳頻以及短包技術(shù)和分散式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，工作在醫(yī)學、工業(yè)、科學的2.4 GHz ISM頻段，這個頻段是全球免費通用的[3]。

2.2 WiFi技術(shù)

WiFi無線傳輸技術(shù)具有快速安全和可靠等優(yōu)點，能夠使得計算機能夠通過該網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)網(wǎng)的連接。WiFi具有很寬廣的覆蓋面積，能夠達到大約100 m。其缺點是電波容易受到干擾，用戶在使用WiFi過程中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容易被竊聽和竊取，用戶的信息安全得不到保證?，F(xiàn)在WiFi協(xié)議不斷發(fā)展，具有各種各樣的安全協(xié)議，使得安全性能得到很大提高[4]。

2.3 ZigBee技術(shù)

作為一種全新的無線傳輸技術(shù)，ZigBee具有功耗低、傳輸速率低等特點。其也是工作在2.4 GHz的頻段范圍內(nèi)，傳輸?shù)木嚯x可以達到10～75 m，其協(xié)議內(nèi)容同藍牙很相似。但是ZigBee通常都是使用在不需要對數(shù)據(jù)進行連續(xù)傳輸?shù)膱龊希@是因為ZigBee經(jīng)常是工作在睡眠模式下?，F(xiàn)在世界上有70多個國家加入了ZigBee聯(lián)盟。在不同的國家和地區(qū)，采用了不同的物理層的頻段：在歐洲地區(qū)是868 MHz、在北美是915 MHz和2.4G。ZigBee更加適合應用在低頻率和低傳輸速率的儀器上，這是因為其采用的是星型網(wǎng)絡(luò)，主從配合。

2.4 紅外技術(shù)

在20世紀90年代初期，世界上20多個廠商聯(lián)合建立紅外數(shù)據(jù)協(xié)會。他們將紅外通信的標準進行了統(tǒng)一，這就是紅外技術(shù)。紅外技術(shù)的初始數(shù)據(jù)傳輸是4兆波特率，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在的傳輸速率提高了3倍。紅外技術(shù)更加適用于點對點的短距離無線傳輸上，這是因為紅外技術(shù)采用的近紅外線的波長很短，因此并不能夠穿透物體，或者說在穿透物體時數(shù)據(jù)會發(fā)生偏差。當前紅外技術(shù)的應用十分廣泛，技術(shù)已經(jīng)十分成熟[5]。

2.5 射頻設(shè)別技術(shù)

射頻識別技術(shù)，也叫做無線射頻識別技術(shù)。該技術(shù)是在1990年流行的一種自動識別技術(shù)，這種自動識別技術(shù)并不需要直接接觸，而是通過射頻的方式進行互相通信。射頻識別的數(shù)據(jù)傳輸精度很高，同時具有很強的抗干擾能力。正是因為射頻識別技術(shù)不需要進行直接接觸，因此在應用的過程中并沒有摩擦，同時也不需要可見光源，因此使用壽命很長，耐久性很好。endprint

3 ZigBee技術(shù)

3.1 ZigBee協(xié)議

ZigBee協(xié)議是定義在IEEE802.15.4協(xié)議的基礎(chǔ)上，IEEE802.15.4是一個新興的無線通訊協(xié)議，是一種低速的標準。該標準對兩個層次進行了定義：MAC層以及PHY層。MAC層是介質(zhì)訪問層，其對多個無線的傳輸信號采用何種方式實現(xiàn)頻段共享進行了定義和說明。PHY層是物理層，其對數(shù)據(jù)的傳輸速率以及網(wǎng)絡(luò)的無線頻段進行了定義。然而，只對這兩個層的定義和規(guī)范不能解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)人袉栴}。這是由于即使是在這樣的規(guī)范下，世界各生產(chǎn)廠商所生產(chǎn)出來的設(shè)備同樣具有兼容性問題[8]。這就需要廠商聯(lián)合起來，對使用標準進行定義和規(guī)范。因此ZigBee聯(lián)盟成立起來，其規(guī)定了不同的設(shè)備生產(chǎn)廠商進行設(shè)備兼容性的問題[7]。

3.2 ZigBee技術(shù)的特點

數(shù)據(jù)傳輸速率低：ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸在20～200K波特率之間，可以分成幾個頻段。依據(jù)不同的頻段，能夠具有與不同的數(shù)據(jù)傳輸能力。但是該速度能夠滿足其一般數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊骩6]。

功耗很低：ZigBee的功耗很低，兩節(jié)5號電池能夠供其在待機時能夠工作半年到2年。

成本低：ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速度比較低，因此具有很簡單的協(xié)議，成本也就相應減少了。同時該技術(shù)協(xié)議是開發(fā)的，用戶在使用的過程中并不需要向相關(guān)部門提交專利費。

具有較快的響應速度：將其喚醒到工作狀態(tài)，所需時間只要15 ms；接入網(wǎng)絡(luò)時間也僅需30 ms，節(jié)約能量。藍牙接入網(wǎng)絡(luò)的時間很長，大概需要3～10 s；WiFi接入網(wǎng)絡(luò)也需要3 s的時間。

3.3 ZigBee協(xié)議架構(gòu)

ZigBee的協(xié)議相比較上節(jié)所提到的無線標準，具有簡單有效的特點。ZigBee的協(xié)議在惡劣的環(huán)境下也能夠很好地工作，只需要很低的硬件配置就能夠正常工作[9]。ZigBee具有幾個層次的標準，這些標準如圖1所示。

4 硬件系統(tǒng)設(shè)計

基于ZigBee技術(shù)的家居智能系統(tǒng)設(shè)計，傳感器系統(tǒng)有很多，溫度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鳌熿F傳感器等等，如圖2ZigBee技術(shù)在家居智能中的應用。本文簡要介紹其中的一款溫度傳感器的設(shè)計與應用。

4.1 硬件系統(tǒng)簡介

圖3為ZigBee家居智能節(jié)點硬件示意圖，它由射頻數(shù)據(jù)模塊、微控制器和外圍設(shè)備組成，其外圍設(shè)備包括傳感器、執(zhí)行器、LCD等。

4.2 無線收發(fā)器

MC13192是飛思卡爾公司的一款無線收發(fā)器。該收發(fā)器具有很低的功率消耗，同時工作在2.4 GHz頻段下。MC13192在mesh以及star網(wǎng)絡(luò)上應用良好。如果對MC13192加上相應的MCU控制器后，就能夠提供一種合適性價比的數(shù)據(jù)傳輸方案。

4.3 主控芯片

本文設(shè)計的ZigBee智能家居使用的主控芯片是AT89S52單片機。MSC-51單片機是八位的非常實用的單片機。本文所使用的AT89S52單片機就是基于這款單片機的。MSC-51單片機的基本架構(gòu)被ATMEL公司購買，繼而在其基本內(nèi)核的基礎(chǔ)上加入了許多新的功能，同時擴展了芯片的容量以及加入flash閃存等等。51內(nèi)核的單片機具有很多優(yōu)點，因此無論是在工業(yè)上還是在一些電子產(chǎn)品上應用都很多。全球也有許多大公司對其進行擴展，加入新的功能。即使是在今天，51單片機仍然在控制系統(tǒng)中占據(jù)很大市場。這款單片機具有最大能夠支持的64 K外部存儲擴展，同時還具有8K字節(jié)的Flash空間。該單片機具有4組I/O口，分別是從P0到P3，同時每組端口具有8個引腳。

4.4 液晶模塊

液晶模塊的功能主要是顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。例如，進行信道的能量檢測時，等檢測完畢之后，就可以在液晶上顯示檢測到的當前信道的能量級別；MCU請求發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功，若發(fā)送成功就可以在液晶上顯示成功，如果發(fā)送不成功，則可以根據(jù)返回的狀態(tài)在液晶上顯示發(fā)送不成功的原因。

4.5 溫度傳感器

溫度檢測的方法有很多，比如采用熱電偶等。本文采用的是DS18B20溫度傳感器。該溫度傳感器采用的是one-Wire總線，即只采用一根信號線與單片機進行連接。該測溫傳感器能夠測量-55～125 ℃的溫度范圍，同時分辨率能夠達到0.5 ℃。工作電壓范圍很寬，一般為3.0～5.5 V。

5 軟件系統(tǒng)設(shè)計

5.1 總體設(shè)計

整個系統(tǒng)的軟件主要可以分成三個層：應用層、協(xié)議層以及系統(tǒng)平臺層。系統(tǒng)平臺層提供服務給協(xié)議層，這些工作都是同過調(diào)用API程序來實現(xiàn)的；協(xié)議層是對物理層和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的實現(xiàn)；應用層主要完成傳輸數(shù)據(jù)等功能。

5.2 溫度測量程序

該論文采用的溫度傳感器是one-wire總線的器件，與主控芯片進行一根數(shù)據(jù)線連接，就能夠同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)和時鐘信號的雙向傳輸。但是這樣就要求主控芯片的時序必須具有嚴格的要求。在出廠之前，每個器件的ROM上都光刻上64位的編碼，這個編碼地址序列是唯一的，我們可以通過這個編碼地址序列來進行多點的組網(wǎng)。本文所設(shè)計的溫度采集系統(tǒng)，在每一個結(jié)點只是用一個溫度傳感器，因此在程序中并不需要讀取其ROM編碼。

6 結(jié)語

目前在智能家居設(shè)備控制已經(jīng)應用方面各個商家和設(shè)備廠商繽紛復雜、百花齊放，對技術(shù)的采用和各個系統(tǒng)的融合還存在很大的討論空間。所以本論文在結(jié)合ZigBee技術(shù)的優(yōu)點的基礎(chǔ)上討論了其在溫度傳感中的典型應用，以希望此論文能夠拋磚引玉，為我國現(xiàn)代化技術(shù)在智能家居智能領(lǐng)域的發(fā)展貢獻一點力量。

參考文獻

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