ZigBee技術(shù)在智能家庭系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

劉江蘇

摘要：智能家庭系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)組建和通信是其重要的組成部分。常見的幾種短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)各有優(yōu)勢，其中的ZigBee技術(shù)在功耗、容量和安全性等方面優(yōu)勢明顯。通過對ZigBee技術(shù)的研究，為智能家庭系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)起到了關(guān)鍵性的作用。

關(guān)鍵詞：ZigBee、WIFI、藍(lán)牙、智能家庭

Research on the Application of ZigBee Technology in Smart Home System

Liu Jiang-su

（Chongqing Aerospace Polytechnic，Jiangbei District，Chongqing 400021）

Abstract： The network formation and communication is an important part of smart home system. Common several short-range wireless network technology have their own advantages. The ZigBee technology in such aspects as power consumption， capacity and security. Based on the research of the ZigBee technology for the design and implementation of intelligent home system has played a key role

Key words： ZigBee、WIFI、Bluetooth、smart home

在智能家庭系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備終端通過何種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)和家庭智能網(wǎng)關(guān)的通信，是整個(gè)系統(tǒng)中十分關(guān)鍵的問題。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信一方面承擔(dān)了各個(gè)終端將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給家庭智能網(wǎng)關(guān)，再由網(wǎng)關(guān)存儲或者發(fā)送給用戶控制端，另一方面承擔(dān)著將用戶控制端發(fā)出的各種控制指令傳送至各智能終端的任務(wù)。所以采用何種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將決定智能家庭系統(tǒng)能否可靠、高效的運(yùn)行。

對于智能家庭系統(tǒng)而言，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)是非常適合的。比較起有線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的布置和配置方式更加靈活。目前應(yīng)用較為成熟和廣泛的短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)有WIFI、藍(lán)牙和ZigBee等，本文主要比較這些技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，對其中的ZigBee技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用研究。

1. ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，其基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。從2004年ZigBee的第一個(gè)版本誕生至今已有10多年時(shí)間，由于其自身的特點(diǎn)，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，其在各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

1.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)組成

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中支持兩類型的設(shè)備，一類是全功能設(shè)備，其支持任何網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由；另一類是精簡功能設(shè)備，其只能用于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，并且不能作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，只能與之通信。

1.2ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)應(yīng)用的需求組成星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)和樹型結(jié)構(gòu)，如圖1、圖2和圖3所示。

其中的星型結(jié)構(gòu)有一個(gè)中心設(shè)備也就是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，所有的設(shè)備都與之通信，不足之處在于一旦這個(gè)中心設(shè)備出現(xiàn)故障則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就癱瘓了。

網(wǎng)狀型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)中任何兩個(gè)設(shè)備都可以直接通信，不像星型結(jié)構(gòu)中要依賴于中心設(shè)備，但各設(shè)備節(jié)點(diǎn)維護(hù)的信息較多。

樹型結(jié)構(gòu)實(shí)際上就是星型結(jié)構(gòu)的一種擴(kuò)展，可以看做是多個(gè)星型結(jié)構(gòu)的一種級聯(lián)，特點(diǎn)與星型結(jié)構(gòu)類似。

2.ZigBee技術(shù)優(yōu)勢

現(xiàn)階段主要的短距離無線通信技術(shù)主要有WIFI、藍(lán)牙、ZigBee以及紅外線等。各種技術(shù)都有著自身的優(yōu)勢和缺點(diǎn)，那么這些技術(shù)中哪種較適合用于智能家庭系統(tǒng)呢？通過比較研究我們發(fā)現(xiàn)ZigBee技術(shù)在智能家庭應(yīng)用較為合適。

ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)：

①低功耗，這是其技術(shù)非常突出的一個(gè)優(yōu)勢，2節(jié)的普通5號干電池可以提供一個(gè)節(jié)點(diǎn)6-24個(gè)月的正常工作。對于智能家庭系統(tǒng)而言，如溫度傳感器、煙霧檢測器等如果采用ZigBee技術(shù)，其低功耗的特性可以使用戶不再頻繁的為設(shè)備功耗而擔(dān)憂，同時(shí)也非常符合當(dāng)今世界節(jié)能低碳的環(huán)保趨勢。

現(xiàn)在廣泛使用的WIFI技術(shù)，相較于ZigBee的低功耗特性其往往需要220v電源供電，當(dāng)然對于普通智能終端這完全不需要擔(dān)心。但是在智能家庭系統(tǒng)中，如溫度監(jiān)控器，煙霧檢測器等終端一般都體積較小，安裝位置特殊，如果采用220v供電，電源布置麻煩、使用也有局限性。

②低成本，對于普通家庭用戶而言由于其對設(shè)備價(jià)格較為敏感，所以ZigBee技術(shù)的低成本特性對于智能家庭系統(tǒng)非常適合。由于其簡化了協(xié)議，節(jié)點(diǎn)所需代碼較少，更關(guān)鍵的是其沒有協(xié)議專利費(fèi)，所以芯片的單價(jià)很低。

③大容量，利用ZigBee技術(shù)強(qiáng)大的組網(wǎng)功能最多可以容納65000個(gè)節(jié)點(diǎn)，這是一般的WIFI網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的。雖然現(xiàn)階段一般智能家庭系統(tǒng)不可能需要組建上萬個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，但是隨著智能傳感設(shè)備的增多，甚至多個(gè)家庭或者小區(qū)規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)組建，ZigBee強(qiáng)大的容量特性都給以后的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展留下了充足的空間。

④安全性，由于智能家庭系統(tǒng)通過各種傳感器采集了大量用戶數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)相當(dāng)大部分具有較高的隱私性，同時(shí)對各個(gè)智能設(shè)備的控制可以對家庭中許多重要功能進(jìn)行控制，所以安全性是整個(gè)系統(tǒng)的重中之重。ZigBee技術(shù)采用了三級安全模式，分別是無安全設(shè)定、使用訪問控制清單（Access Control List， ACL） 防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES 128）的對稱密碼。其安全性能非常突出，至今還沒有出現(xiàn)過破解案例，相較于WIFI等技術(shù)長期出現(xiàn)的安全問題優(yōu)勢明顯。

3.ZigBee技術(shù)在智能家庭系統(tǒng)中的應(yīng)用

基于ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢我們在設(shè)計(jì)智能家庭系統(tǒng)時(shí)，采用其作為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。

3.1智能家庭系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在智能家庭系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型拓?fù)?，各個(gè)感應(yīng)器和智能終端通過ZigBee模塊與ZigBee協(xié)調(diào)器連接組網(wǎng)，如圖4所示。

本項(xiàng)目中之所以采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要基于下面的原因：前面提到的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)其優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)傳輸距離相對較遠(yuǎn)并且網(wǎng)絡(luò)可容納節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，但其主要的缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，并且由于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多容易產(chǎn)生信道沖突，同時(shí)其價(jià)格相對昂貴，這對于家庭用戶而言不易接受。星型結(jié)構(gòu)是三種結(jié)構(gòu)中最簡單的一種，對于單個(gè)家庭數(shù)量較少的節(jié)點(diǎn)，使用其有簡潔和低功耗的優(yōu)勢，比較起其他兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都更為適合。

3.2網(wǎng)絡(luò)組建

ZigBee設(shè)備一般有兩個(gè)地址，一個(gè)地址是64位的IEEE地址，這個(gè)地址是設(shè)備廠商在出廠的時(shí)候就已經(jīng)設(shè)置好，并且全球唯一的；還有一個(gè)地址是16位的短地址，一般實(shí)際應(yīng)用中用這個(gè)地址來標(biāo)識設(shè)備自身和識別其他設(shè)備。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)有兩個(gè)突出的特性就是自組織和自愈功能。所謂的自組織就是指無需人為的配置操作，只需要對ZigBee設(shè)備上電，其就可以自動完成網(wǎng)絡(luò)的配置工作。而自愈功能指的是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有某設(shè)備故障，可以檢測并命令該設(shè)備復(fù)位，恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)其也具有優(yōu)良的拓展性，對于智能家庭系統(tǒng)，可能隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大需要增加新的設(shè)備，那么這個(gè)新節(jié)點(diǎn)要加入網(wǎng)絡(luò)，只需要在覆蓋范圍內(nèi)加電即可。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建主要包括以下內(nèi)容：

首先是系統(tǒng)的初始化。

網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器通過廣播的方式向所有加電的終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀，隨后收到數(shù)據(jù)幀的節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)請求，協(xié)調(diào)器收到該請求后分配其一個(gè)16位的地址，同時(shí)還要將節(jié)點(diǎn)信息記錄在相應(yīng)的地址表中，隨后該設(shè)備入網(wǎng)成功。這樣當(dāng)系統(tǒng)中的所有設(shè)備都入網(wǎng)完畢，協(xié)調(diào)器采集完所有數(shù)據(jù)之后，系統(tǒng)的初始化完成。

其次節(jié)點(diǎn)通信。

本項(xiàng)目中各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間是不能通信的，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)他們之間也沒有通信的需求，因?yàn)槎际歉髯圆杉煌愋偷臄?shù)據(jù)信息。各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)只能和中心節(jié)點(diǎn)也就是ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。系統(tǒng)需要對溫度檢測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行周期性的數(shù)據(jù)采集，例如需要獲取室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器是采用輪詢的方式與之進(jìn)行通信。另外的比如煙霧檢測節(jié)點(diǎn)，其只是在需要報(bào)警時(shí)才輸出數(shù)據(jù)，這類型的節(jié)點(diǎn)則以中斷方式與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。

其中ZigBee協(xié)調(diào)器在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)了中心節(jié)點(diǎn)的功能，其一方面要收集各個(gè)感應(yīng)終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，例如溫度數(shù)據(jù)，并且將這些數(shù)據(jù)往上傳輸給家庭網(wǎng)關(guān)；另一方面還要實(shí)現(xiàn)對各個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、操作命令和重啟等控制。

最后是網(wǎng)絡(luò)拓展更新。

隨著智能家庭系統(tǒng)的部署使用，可能在一段時(shí)間之后需要加入新的終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)更多的功能。當(dāng)然也可能某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障損壞，需要移除。那么隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加或減少，ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)必然會發(fā)生變化，那么這個(gè)時(shí)候協(xié)調(diào)器就必須要及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些變化并且將相應(yīng)設(shè)置進(jìn)行更改。

4.總結(jié)

ZigBee技術(shù)是一種較為適合應(yīng)用于智能家庭系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其相較于其他幾種無線通信技術(shù)有突出的優(yōu)勢。利用ZigBee技術(shù)組網(wǎng)能夠使智能家庭系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)變得更加高效和簡便。我國的智能家庭應(yīng)用還處于起步階段，技術(shù)手段還在不斷的探索和完善，通過對ZigBee技術(shù)的研究在一定程度上對智能家庭系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用和普及有積極的作用。

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基金項(xiàng)目：重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目《基于無線互聯(lián)網(wǎng)的智能家庭系統(tǒng)研究》（KJ1402803）