基于ZigBee的智能家居設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廖志遠(yuǎn)

摘要：該文對幾種短距離無線通信技術(shù)進(jìn)行了橫向?qū)Ρ龋治隽薢igBee技術(shù)的特征及其優(yōu)點(diǎn)，探索了IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)范，采用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了智能家居的整體系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)及其各類功能和事件，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套完整的智能家居產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⑼ㄟ^測試論證了系統(tǒng)的可行性，為后續(xù)的開發(fā)和應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；智能家居；物聯(lián)網(wǎng)；無線通信技術(shù)

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）07-0249-01

物聯(lián)網(wǎng)的問世與發(fā)展打破了“物理基礎(chǔ)設(shè)施與IT基礎(chǔ)設(shè)施分開”的傳統(tǒng)思維方式，將其應(yīng)用到智能家居中將有效的提供家庭數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)（如電腦、電視等數(shù)字媒體），同時(shí)，針對于家庭中的燈光照明、環(huán)境監(jiān)測、家居安防、家庭應(yīng)急處理等功能通過控制網(wǎng)絡(luò)使其具備互聯(lián)和通信功能，實(shí)現(xiàn)更高效、更便捷、更節(jié)能的家居生活與工作[1]。

1 基于ZigBee的智能家居設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

ZigBee技術(shù)具有通信可靠性高、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展容量大、系統(tǒng)運(yùn)行功耗低、系統(tǒng)通信時(shí)延短、有效通信范圍大、專注與低傳輸速率、應(yīng)用成本低、網(wǎng)絡(luò)安全性高等特點(diǎn)和優(yōu)勢。

1.1 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)分為五個(gè)大的部分：家庭網(wǎng)關(guān)部分、嵌入式主控機(jī)部門、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)部分、數(shù)據(jù)采集傳感器控制系統(tǒng)部分和節(jié)點(diǎn)控制設(shè)備部分，整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

1.2 智能家居系統(tǒng)事件設(shè)計(jì)

結(jié)合家居的環(huán)境及其特性，并根據(jù)我們的生活方式和生活習(xí)慣我們?yōu)橄到y(tǒng)設(shè)計(jì)了三種運(yùn)行模式，而根據(jù)每個(gè)模式所設(shè)定的場景不同，我們要為每個(gè)場景設(shè)計(jì)不同的工作模式，這需要我們?yōu)槊總€(gè)模式設(shè)定相應(yīng)的操作事件。設(shè)計(jì)中的無線網(wǎng)絡(luò)事件分為用戶指定事件和自發(fā)事件兩種：用戶指定事件采用的是按鍵或界面發(fā)送方式，例如用戶選擇睡眠模式，此時(shí)系統(tǒng)切斷相應(yīng)用電器電源，燈光熄滅、安防系統(tǒng)工作；而自發(fā)事件是指ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)檢測到某種情況或接收到其他節(jié)點(diǎn)信息后自發(fā)產(chǎn)生的相應(yīng)動(dòng)作，例如火警觸發(fā)，此時(shí)報(bào)警器拉響、滅火水閥開啟、給用戶發(fā)送短信報(bào)警。

除了上述的這些事件外，用戶也可以在人機(jī)界面上對每個(gè)家庭設(shè)施單獨(dú)發(fā)送指令。以上這些功能設(shè)計(jì)已經(jīng)滿足了絕大多數(shù)的家庭生活習(xí)慣，而且操作簡單，比較符合智能家居的功能和人性化的要求。

1.3 通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在模塊之間的傳輸，對無線模塊內(nèi)的參數(shù)和硬件資源標(biāo)準(zhǔn)化，從而可以采用相同的方法訪問和控制各模塊的內(nèi)部資源，串口控制協(xié)議為用戶提供了對模塊的控制訪問通道，從而可以實(shí)現(xiàn)串口對無線通信進(jìn)行控制完成數(shù)據(jù)源的傳遞，參數(shù)的訪問等。

2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臉?gòu)建

本文采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，其中我們可以加入路由的算法讓節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)每條信道的數(shù)據(jù)流量大小和擁堵情況進(jìn)行判斷，讓節(jié)點(diǎn)智能地選擇最短而且信道最為暢通的路由進(jìn)行數(shù)據(jù)的快速轉(zhuǎn)發(fā)，從而減小路由開銷，同時(shí)保證數(shù)據(jù)的可靠性。而且假設(shè)在某個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，與其相連的子節(jié)點(diǎn)會(huì)尋找另一個(gè)父節(jié)點(diǎn)重新接入網(wǎng)絡(luò)，因此網(wǎng)絡(luò)的健壯性較強(qiáng)。

綜合考慮到智能家居中終端節(jié)點(diǎn)的變動(dòng)很小，而且布局較為固定，其大規(guī)模的擴(kuò)展可能性較小，在盡可能的降低系統(tǒng)的運(yùn)行功耗和成本的情況下又必需保證高的通信成功率，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)性能是比較適合的。

3 系統(tǒng)性能測試及結(jié)論

根據(jù)上述的網(wǎng)絡(luò)部署方案我們對系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了全立體方位的綜合測試，在性能測試的過程中去全面了解該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能。我們首先在不同的應(yīng)用環(huán)境中的點(diǎn)對點(diǎn)通信進(jìn)行了通信距離的測試，平均最大通訊距離可達(dá)到82米，最小通訊距離是3.1米。

通過一系列實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)得出結(jié)論：ZigBee網(wǎng)絡(luò)的信號穿透性是滿足實(shí)際要求的，對信號的貫通阻礙較大的環(huán)境可以通過設(shè)置多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，這也表示ZigBee網(wǎng)絡(luò)是可以用于智能家居的無線網(wǎng)絡(luò)中的。

4 結(jié)束語

本文針對于ZigBee無線通信技術(shù)的特征，通過微縮模型模擬家居環(huán)境，研究并實(shí)現(xiàn)利用ZigBee無線通信技術(shù)構(gòu)建智能家居系統(tǒng)。通過分析并定義了智能家居系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)串口對無線通信進(jìn)行控制完成數(shù)據(jù)源的傳遞、參數(shù)的訪問，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況采用了健壯性、擴(kuò)展性較強(qiáng)的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)。通過在不同真實(shí)家居環(huán)境中測試相鄰節(jié)點(diǎn)的通信距離來驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，從其結(jié)果來看該系統(tǒng)是可行的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 金純，羅祖秋，羅鳳.ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)及案例分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[2] 黃磊，付菲閔，華松.基于ZigBee技術(shù)的智能家居方案研究[J].嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用，2009，25（52）：71-73.

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