基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

摘 要 從ZigBee技術(shù)的特點和智能家居的需要出發(fā)，論述了ZigBee技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的適用性，并選擇了DigiMesh網(wǎng)絡(luò)進行無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，滿足了家居設(shè)備多樣化、可拓展的需求，并具有一定的抗干擾性，可以使網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運行。在傳統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控和照明系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了安防系統(tǒng)的設(shè)計，并通過匯聚節(jié)點連接互聯(lián)網(wǎng)，組成了物聯(lián)網(wǎng)的平臺，可以通過微信公眾號進行普通室內(nèi)數(shù)據(jù)的推送和查看，遇到緊急情況可以通過手機短信的方式進行提醒。

【關(guān)鍵詞】ZigBee 智能家居 安防系統(tǒng) 物聯(lián)網(wǎng) DigiMesh

隨著無線通信技術(shù)、嵌入式設(shè)計、傳感器技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的概念得以產(chǎn)生并真正進入人們的生活，其中智能家居是其中的一部分并且與日常生活息息相關(guān)，對傳統(tǒng)家居的安全性、可管理性和可靠性方面具有很大提升。使用無線通信技術(shù)進行智能家居系統(tǒng)設(shè)計，可以有效避免有線方式帶來的布局的繁瑣，提高了系統(tǒng)的靈活性。

對于智能家居系統(tǒng)而言，網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)量小、在傳輸速度上要求也不高，但是家居數(shù)量一般較大其具有可變更性，對此需要選擇合適的通訊協(xié)議進行通信。ZigBee技術(shù)是一種新型的短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，非常適合智能家居系統(tǒng)的需求。

1 ZigBee技術(shù)介紹

本文需要進行無線通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，首先要考慮的就是無線通信技術(shù)的選擇。目前常用短距離通訊技術(shù)有ZigBee、無線局域網(wǎng)、藍牙和超帶寬，如表1所示，他們之間有不同的特點。

ZigBee協(xié)議是一種雙向通信協(xié)議，和傳統(tǒng)通信協(xié)議不同的地方在于，它是針對低功耗、低傳輸率的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的。針對現(xiàn)實中的應用需求，一些著名的ZigBee廠商如摩托羅拉組建ZigBee聯(lián)盟，并就無線通信協(xié)議中的網(wǎng)絡(luò)層和應用層給出了相應的協(xié)議規(guī)范。ZigBee標準是從ZigBee協(xié)議發(fā)展而來的，主要是ZigBee聯(lián)盟負責標準的相關(guān)工作，2014年已發(fā)布第一個ZigBee標準。由于ZigBee標準的確定，基于ZigBee的模塊及其使用方法也相應發(fā)布。

ZigBee具有很多適用于智能家居系統(tǒng)的特點：

（1）傳輸速率最大只有250 Kbp/s，主要用于短距離小數(shù)據(jù)傳輸，對智能家居系統(tǒng)而言，只要是應答信號的響應，不需要很快的傳輸速率；

（2）功耗低，每個節(jié)點的ZigBee模塊在工作模式下的電流大小僅為幾十毫安，一般兩節(jié)電池可以供一個節(jié)點使用6-24個月，一次安裝之后，短時間就不需要更換電池；

（3）ZigBee協(xié)議在通信的可靠性方面較高。ZigBee對數(shù)據(jù)傳輸進行專門優(yōu)化，可以有效避免數(shù)據(jù)發(fā)送時的沖突，每個數(shù)據(jù)包發(fā)送后再進行下一個數(shù)據(jù)包的發(fā)送，用于室內(nèi)家居，在數(shù)據(jù)傳輸方面可以有保障；

（4）傳輸距離在無遮擋物時可以達到100m，室內(nèi)環(huán)境中一般可以達到10m；

（5）單個ZigBee節(jié)點可連接256個節(jié)點，具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量，可以滿足家居系統(tǒng)中各種電氣設(shè)配使用以及環(huán)境監(jiān)控的需求；

（6）由于ZigBee協(xié)議免費使用，而且使用ZigBee技術(shù)的設(shè)備技術(shù)難度比較小，能夠有效地節(jié)省設(shè)備成本。

由此可知，基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)布置方便，并且在布置之后，后續(xù)管理所需要的成本很低，也不需要人們對此花費很大精里。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能家居系統(tǒng)主要有三部分組成：以傳感器技術(shù)為核心的智能終端、中央控制器和用戶控制終端，如圖1所示。

傳感器終端為ZigBee模塊，可以將其稱為信息采集節(jié)點，使用支持ZigBee協(xié)議的芯片對傳感器進行信息采集和控制。終于控制器同樣使用支持ZigBee協(xié)議的芯片，稱為匯聚節(jié)點，用于接收信息采集節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)或者主動發(fā)送數(shù)據(jù)用于對信息采集節(jié)點進行控制，兩者之間使用ZigBee技術(shù)進行無線通信。用戶控制終端包括電腦和手機設(shè)備，匯聚節(jié)點將采集到的信號通過以太網(wǎng)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務器，用戶根據(jù)需要可以通過網(wǎng)頁方式進行主動查看或者通過手機微信公眾號的方式進行推送；同時匯聚節(jié)點內(nèi)置GPRS芯片，遇到緊急情況例如煤氣泄露、著火等可以通過手機短信的發(fā)送發(fā)送到預先設(shè)置好的手機號中。

3 ZigBee節(jié)點設(shè)計

由系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可以知道，信息采集節(jié)點和匯聚節(jié)點是智能家居系統(tǒng)的主要部分，兩者之間通過ZigBee技術(shù)進行通信，對此需要對ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行研究。

Zigbee技術(shù)支持3種標準的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：星型結(jié)構(gòu)、簇樹結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

星型結(jié)構(gòu)是最簡單的組成方式，包括一個協(xié)調(diào)器和多個終端設(shè)備，終端設(shè)備和協(xié)調(diào)器之間相互通信。簇樹網(wǎng)絡(luò)可以對星型結(jié)構(gòu)中終端設(shè)備數(shù)量進行了進一步擴充，相比星型結(jié)構(gòu)而言增加了路由器這一種ZigBee節(jié)點類型，終端設(shè)備需要先與路由器進行通信，然后通過路由器將信息傳輸至協(xié)調(diào)器進行處理，終端設(shè)備與協(xié)調(diào)器之間不能直接進行通信。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將星型結(jié)構(gòu)和簇樹結(jié)果相結(jié)合，終端節(jié)點可以直接與協(xié)調(diào)器進行通信，也可以通過路由器和協(xié)調(diào)器進行通信，在設(shè)備啟動時，終端設(shè)備會根據(jù)距離協(xié)調(diào)器的遠近，自動選擇直接通信或者通過路由器進行通信，力求達到最好的傳輸效果和最短傳輸路徑。

在3種標準的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之外，還有一些別的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如圖3所示，是DigiMesh網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)是基于Mesh網(wǎng)絡(luò)，適合用于實際場景比較復雜的使用環(huán)境，同時在測量范圍上也可以進一步提高。

DigiMesh網(wǎng)絡(luò)相對Mesh網(wǎng)絡(luò)而言，對節(jié)點上進行了一定簡化。在DigiMesh網(wǎng)絡(luò)中，所以節(jié)點在功能上都是對等的。在實際使用時，只需要將其中一個節(jié)點設(shè)置為協(xié)調(diào)器，其余的節(jié)點經(jīng)過簡單設(shè)置之后，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中需要自動擔任終端設(shè)備或者路由器節(jié)點的功能。且該網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力和可靠性很強，當某一些節(jié)點因為斷電或者老化等因素無法正確工作時，通過該節(jié)點進行通信的節(jié)點會自動選擇其余節(jié)點進行通信，不會因為一個節(jié)點的故障使得整個網(wǎng)絡(luò)無法工作。

4 無線節(jié)點硬件設(shè)計

確定了智能家居系統(tǒng)的組網(wǎng)方式之后，我們需要將終端節(jié)點與實際使用相結(jié)合。如圖4所示，先將硬件系統(tǒng)分為三大部分，即室內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和安防系統(tǒng)。

室內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)主要是通過溫度、濕度傳感器對室內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，并將溫濕度數(shù)據(jù)傳輸至協(xié)調(diào)器（匯聚節(jié)點）對空調(diào)或者空氣加濕器等設(shè)備對室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進行調(diào)整，使其得到最舒適的人體感受狀態(tài)。本部分的溫度傳感器與終端處理器就組成了終端設(shè)備，也是信息采集節(jié)點，匯聚節(jié)點可以通過預設(shè)一個溫度、濕度的數(shù)值，根據(jù)節(jié)點采集的數(shù)據(jù)與預設(shè)的數(shù)值進行比較，在高于或者低于預設(shè)值時進行調(diào)整，達到一種智能調(diào)整的方式。

照明系統(tǒng)是家居環(huán)境中最常使用的一個部分。光線傳感器可以將室內(nèi)光照強度發(fā)送至協(xié)調(diào)器，根據(jù)時間和明亮程度進行照明系統(tǒng)的調(diào)整。比如中午時候，如果光照強度過高，可以選擇控制窗簾開關(guān)拉上窗簾；傍晚時候，如果室內(nèi)較暗就打開某一些燈的開關(guān)。夜里時候，可以使用聲音傳感器，例如有人起夜時候可以選擇打開衛(wèi)生間的燈光開門。同時，可以記錄各部分照明設(shè)備的工作時間，當達到使用壽命90%的時候，可以主動進行提醒，以便及時更換相應照明設(shè)備。

安防系統(tǒng)是最不常用的一部分，但是在家居生活中具有重要作用，需要對該部分進行考慮。該部分主要可以包括通過煤氣傳感器探測以防煤氣泄露，在緊急情況下可以通過匯聚節(jié)點向設(shè)定手機號發(fā)送短信。紅外傳感器可以對人體等紅外信號進行探測，可以在晚上睡覺和家里沒有人時候開啟，安裝位置可以選擇窗戶和門后，當有人經(jīng)過時，可以向家人進行報警，放置壞人入侵。

該部分對室內(nèi)環(huán)境系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和安防系統(tǒng)著三部分的可能需要的硬件設(shè)計種類進行簡單描述，實際的家居中可能根據(jù)需要進行進一步細化，不同家庭的需要也不一樣，在實際設(shè)計時候可以根據(jù)需要進行適當?shù)墓?jié)點種類刪減或者增添。

5 結(jié)束語

本文以ZigBee技術(shù)為無線通訊協(xié)議，通過對ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分析，家居環(huán)境中硬件節(jié)點的分析和設(shè)計，建立了低功耗、可靠性高、可塑性強的智能家居系統(tǒng)，在常用的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控和照明系統(tǒng)之外，增加了安防系統(tǒng)，對居家的安全性提供更高的保障。未來可以建立統(tǒng)一的標準，對終端進行模塊化設(shè)計，在建立智能家居系統(tǒng)和系統(tǒng)升級方面更加便利。

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作者簡介

許云龍（2000-），男，研究方向為計算機。

作者單位

北京市第十三中學 北京市 100009