基于ZigBee技術(shù)的智能化家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

■ 黃萌 余正華 王麗 余歡（安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院）

隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，我們的工作和生活方式也隨之改變，特別是在近幾年，智能家居概念開(kāi)始走向大眾。如今，80后和90后是市場(chǎng)的消費(fèi)主流群體，追求智能體驗(yàn)，熱愛(ài)科技產(chǎn)品，他們對(duì)家居安全、家居智能的需求日漸增加。在歐美地區(qū)，智能家居的使用率已超過(guò)50%，而我國(guó)僅3%，智能家居市場(chǎng)有著廣闊的發(fā)展前景。這幾年，國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)政策支持發(fā)展智慧家庭、智慧城市，在“互聯(lián)網(wǎng)+”形勢(shì)下對(duì)國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造，推動(dòng)信息家電產(chǎn)業(yè)的興起。

要實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能家居生活，即在用戶端實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭情況的監(jiān)控和控制，必須依靠穩(wěn)定可靠的無(wú)線傳感技術(shù)，ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)，很好的解決了傳統(tǒng)家居分散、獨(dú)立等特點(diǎn)。基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)出的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅可以實(shí)時(shí)通過(guò)用戶端進(jìn)行監(jiān)控，還可以通過(guò)用戶端發(fā)出控制指令，控制智能設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

一、智能化家居系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀1

在傳統(tǒng)生活中，我們需要自己動(dòng)手完成各種事情，而智能化家居系統(tǒng)的提出則顛覆了傳統(tǒng)生活觀念，只要輕輕按一下按鈕，甚至不需要?jiǎng)邮?，通過(guò)語(yǔ)音操控，就可以按照自己預(yù)想的程序運(yùn)行，這就是智能家居帶來(lái)的舒適、簡(jiǎn)潔、便利的生活體驗(yàn)。1984年，世界上第一棟真正意義上的智能家居在美國(guó)誕生，20世紀(jì)80年代住宅自動(dòng)化的概念開(kāi)始出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)久的發(fā)展，外國(guó)的智能化家居進(jìn)程已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。一些知名企業(yè)如Microsoft、IBM、Samsung等紛紛進(jìn)軍智能家居行業(yè)，智能家居行業(yè)從開(kāi)始的混亂無(wú)章到形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外的企業(yè)已經(jīng)在智能家居方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但是由于智能家居價(jià)格太高等多種原因?qū)е轮悄芗揖悠占八俣缺容^緩慢。

我國(guó)智能家居行業(yè)起步晚，基礎(chǔ)薄弱。進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著通信網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的普及，智能家居概念才出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，借鑒其他國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)十幾年的努力，我國(guó)智能家居發(fā)展也取得了一定的成果，特別是最近幾年房地產(chǎn)行業(yè)的迅猛發(fā)展和數(shù)字化智能時(shí)代的來(lái)臨，智能家居理念開(kāi)始深入人心，智能家居開(kāi)始慢慢滲透到人們的日常生活中。2019年是我國(guó)商用5G元年，隨著5G時(shí)代的到來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)將更加快速、穩(wěn)定，我國(guó)又是個(gè)人口大國(guó)，而智能家居的使用率只有3%，市場(chǎng)開(kāi)發(fā)潛力巨大。

二、智能化家居存在的問(wèn)題

國(guó)內(nèi)智能化家居發(fā)展歷程較短，智能家居市場(chǎng)還不夠完善，其主要困難集中在產(chǎn)品的研發(fā)和推廣上面，具體有以下幾個(gè)問(wèn)題。

（一）市場(chǎng)不規(guī)范

智能化家居在國(guó)內(nèi)的發(fā)展時(shí)間也就十幾年，加上我國(guó)人口龐大，市場(chǎng)潛力巨大，家電品類眾多，但智能家居行業(yè)還沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，家電企業(yè)按照各自的標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)產(chǎn)品，碎片化現(xiàn)象嚴(yán)重，產(chǎn)品的兼容性比較差，影響了智能家居的普及。智能家居的關(guān)鍵技術(shù)還需要提高，產(chǎn)品還不夠成熟。智能家居是集成了家庭中所有的家居產(chǎn)品，所以需要設(shè)備執(zhí)行統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，智能家居生產(chǎn)還沒(méi)有一個(gè)完整的產(chǎn)業(yè)鏈，嚴(yán)重阻礙了智能化家居的發(fā)展。

（二）消費(fèi)意識(shí)弱以及智能家居價(jià)格較高

改革開(kāi)放以來(lái)，人民的生活水平得到了很大的提高，截止到2017年，全國(guó)人均可支配收入較1978年增長(zhǎng)了22.8倍，但是受國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)思維影響，人們更愿意把錢花在買房結(jié)婚上面，甚至存到銀行，對(duì)精神層次的追求還停留在較低的水平，消費(fèi)觀念落后。智能家居雖然能提供方便、快捷、安全和舒適的環(huán)境，但就目前市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，一整套智能家居的價(jià)格并不便宜，一個(gè)普通的智能掃地機(jī)器人價(jià)格最低也在2000元人民幣以上，而一整套智能家居的價(jià)格在30-100萬(wàn)元人民幣，普通家庭根本負(fù)擔(dān)不起。

（三）智能家居產(chǎn)品缺乏創(chuàng)新且操作麻煩

現(xiàn)有的智能家居產(chǎn)品較為簡(jiǎn)陋、低端，客觀上是由于技術(shù)研發(fā)難度大，市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)范，主觀上廠商缺乏創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力，設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)比較繁瑣，操作難度比較大，缺乏人性化設(shè)計(jì)，不適合老年人使用。

國(guó)外的智能化家居發(fā)展相對(duì)較為成熟，其在實(shí)用性、環(huán)保性和娛樂(lè)性上面做的很好，國(guó)內(nèi)智能家居產(chǎn)品還有很長(zhǎng)一段路要走，為進(jìn)一步做好改進(jìn)，對(duì)家居產(chǎn)品功能提出以下幾個(gè)方面要求：

家庭安防方面：智能家居可以實(shí)時(shí)監(jiān)控家庭環(huán)境，一旦出現(xiàn)像非法闖入、火災(zāi)、瓦斯泄漏和緊急呼救等問(wèn)題，安防系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào)，系統(tǒng)進(jìn)入緊急狀態(tài)并通知業(yè)主以及消防等相關(guān)人員，確保及時(shí)準(zhǔn)確地處理問(wèn)題。

智能設(shè)備控制方面：根據(jù)業(yè)主對(duì)室內(nèi)燈光和溫濕度的要求，自動(dòng)控制調(diào)節(jié)燈管的光強(qiáng)度和空調(diào)的工作狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)與業(yè)主的交互式智能控制，通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能控制。

表1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)比較

三、ZigBee技術(shù)概述

Zigbee是一種應(yīng)用于低速率和短距離下的無(wú)線通信技術(shù)，主要用于短距離、低功耗且傳輸速率不高的電子器件之間的數(shù)據(jù)傳輸以及有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee技術(shù)的核心部分是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，它規(guī)定了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的物理層和MAC層，由于IEEE組織在無(wú)線領(lǐng)域的影響，以及TI、ST、Ember、NXP等芯片廠商的推動(dòng)，該標(biāo)準(zhǔn)成為了無(wú)線領(lǐng)域的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)之間的距離越大，則相關(guān)的設(shè)備就越復(fù)雜，相應(yīng)的功耗和成本也就越高，要解決無(wú)線網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，高效率的短程傳輸才是最好的解決方案。ZigBee技術(shù)采用接力的方式將信息從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，能實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器之間的互聯(lián)互通，大大提高了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信效率。

目前得到實(shí)際應(yīng)用的無(wú)線技術(shù)有Bluetooth、WiFi、GPRS、ZigBee等，我們對(duì)這幾種無(wú)線技術(shù)進(jìn)行全方面的分析研究。

通過(guò)表格數(shù)據(jù)分析我們可以得出ZigBee技術(shù)主要有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）功耗?。河杀砀駭?shù)據(jù)得知，ZigBee協(xié)議的功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他無(wú)線技術(shù)，系統(tǒng)使用兩節(jié)5號(hào)電池可以維持6~24個(gè)月。

（2）成本低：ZigBee協(xié)議簡(jiǎn)單，使用免費(fèi)的2.4Ghz頻率。

（3）標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)單：相較于其余無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，可靠性高。

對(duì)于智能家居市場(chǎng)來(lái)說(shuō)，成本大小、功耗高低以及可靠性能是首要考慮的因素。相較于其他幾種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)是最適合作為智能家居無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。

四、基于ZigBee技術(shù)搭建智能家居無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)智能家居系統(tǒng)的需求分析，設(shè)計(jì)出家居系統(tǒng)功能模塊，如圖2所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)模塊

由圖1可知，整個(gè)系統(tǒng)分為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、家居網(wǎng)關(guān)、用戶端和web服務(wù)器端。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)感知收集家居設(shè)備的信息和智能控制其運(yùn)行狀態(tài)。智能家居網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)接收家居設(shè)備通過(guò)無(wú)線通信發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以向傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制指令，智能家居網(wǎng)關(guān)也可以連接Internet向用戶和web端共享信息和接收用戶的指令。

了解了家居系統(tǒng)的大致體系，現(xiàn)對(duì)基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)，傳感器節(jié)點(diǎn)之間使用具有有功耗低、距離近特點(diǎn)的ZigBee協(xié)議作為通信協(xié)議組網(wǎng)成無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)。家居傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)眾多，每個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)都需要采用相同的硬件設(shè)施，連接不同傳感器達(dá)到相應(yīng)的功能，傳感器硬件節(jié)點(diǎn)核心處理器芯片采用美國(guó)德州公司TI開(kāi)發(fā)的支持ZigBee協(xié)議的SoC芯片CC2530，其內(nèi)部有ZigBee射頻模塊，使得電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。傳感器節(jié)點(diǎn)分為傳感型節(jié)點(diǎn)和受控型節(jié)點(diǎn)，傳感型節(jié)點(diǎn)通過(guò)I/O連接不同的傳感器，受控型節(jié)點(diǎn)通過(guò)I/O連接繼電器模塊，對(duì)相關(guān)電器進(jìn)行控制。家居網(wǎng)關(guān)接受了所有的節(jié)點(diǎn)信息并進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，其處理的數(shù)據(jù)較多，處理器可以采用ARM Cortex-A9 核心的三星 Exynos4412芯片，通過(guò)串口連接CC2530模塊，實(shí)現(xiàn)與傳感器網(wǎng)絡(luò)通信，通過(guò)SDIO口連接到Internet，完成內(nèi)外網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息共享。

五、總結(jié)

本文以ZigBee技術(shù)為核心，研究了智能家居的發(fā)展，國(guó)內(nèi)智能家居市場(chǎng)存在的問(wèn)題，ZigBee技術(shù)概況以及基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，結(jié)合ZigBee無(wú)線技術(shù)推動(dòng)智能家居行業(yè)的發(fā)展，未來(lái)的智能家居市場(chǎng)前景廣闊，智能家居的變革也會(huì)深層次的影響人們的生活水平，極大的提高人們的生活體驗(yàn)。