基于ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)設計與應用研究

楊蒲菊

摘要：隨著網絡信息時代的快速發(fā)展和通信技術的不斷進步，越來越多的人向往智能化、信息化和網絡化的生活方式，實現智能控制家居行業(yè)引起人們的廣泛關注。該文主要介紹了ZigBee技術在智能家居中的優(yōu)勢、對ZigBee技術協(xié)議進行了解讀，闡述了ZigBee技術性能優(yōu)勢及ZigBee技術在智能家居系統(tǒng)的設計與應用研究。

關鍵詞：ZigBee技術；智能家居；系統(tǒng)設計與應用

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）09-0090-02

1 概述

隨著互聯(lián)網信息時代的不斷進步，人們對生活環(huán)境的要求也越來越高，智能家居已慢慢進入到普通百姓的家庭生活中。ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的低功耗LAN協(xié)議，它的多種性能優(yōu)勢符合智能家居對通信系統(tǒng)的要求，ZigBee技術在智能家居系統(tǒng)設計中能夠充分考慮到智能家居系統(tǒng)的功能和應用領域，可將燈光照明、智能窗簾、視頻監(jiān)控、音頻系統(tǒng)、家電設備等全部融合在一起，可以為人們提供居家的智能環(huán)境，使該技術進一步優(yōu)化系統(tǒng)設計。ZigBee的通信協(xié)議也廣泛應用于電子產品和家用智能設備，它結合了系統(tǒng)中的各種單元以形成共享網絡，通信協(xié)議通過技術手段將家中隔離的家用電器相互連接，形成統(tǒng)一的自動控制智能系統(tǒng)，充分利用互聯(lián)網技術遠程控制和監(jiān)控各類電器，方便電器的運行，體現智慧的體驗和感受，更好地實現智能控制。ZigBee技術不僅在智能家居行業(yè)得到廣泛應用，也在個人健康監(jiān)護、工農商業(yè)、消費電子、pc機外圍設備等行業(yè)領域廣泛應用。如圖1所示。

2 ZigBee技術協(xié)議的解讀

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的LAN協(xié)議。根據國際標準，ZigBee技術具有緊密接近、低復雜性、自組織、低功耗和低數據速率的特點。是一種廉價，低功耗，短距離的無線網絡通信技術。在自動控制領域、遠程控制領域得到有效的使用，也可嵌入各種設備中使用。

ZigBee協(xié)議是從下到上的物理層（PHY），媒體訪問控制層（MAC），傳輸層（TL），網絡層（NWK），應用層（APL）等。物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準，如圖2所示。

3 ZigBee技術性能與優(yōu)勢

ZigBee是一種無線連接，工作頻率為2.4 GHz（全球），868 MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行），傳輸速率高達250 kbit / s，20 kbit / s和40 kbit / s。速率，其傳輸距離在10-75米的范圍內。ZigBee作為無線通信技術，它也具有如下優(yōu)勢：

1）ZigBee的傳輸速率比較低，傳輸功率也僅有1mW；因采用睡眠模式的原理，消耗的功率也比較低，所以ZigBee設備非常省電。據證實，只使用兩節(jié)5號電池，ZigBee設備可以持續(xù)長達6個月到2年，這遠遠超出其他無線設備的范圍。

2）ZigBee模塊的成本比較低，其協(xié)議也是免版稅的。ZigBee模塊的初始成本約為6美元，隨著ZigBee技術市場的擴大，慢慢也將降至1.5-2.5美元。

3）具有短延遲優(yōu)勢。在通信延遲、睡眠狀態(tài)上的延遲都非常短。在典型的搜索設備上，延遲30ms；在睡眠激活，延遲15ms；在有效設備信道訪問上，會延遲15ms。所以，ZigBee技術在具有時間關鍵無線控制上應用比較廣泛。

4）網絡容量非常巨大，在網絡組網方面，也非常靈活。星形ZigBee網絡結構可以容納1個主設備和254個從設備，并且一個網絡區(qū)域內可同時存在100個ZigBee網絡結構。

5）ZigBee技術具有很高的可靠性與安全性。為固定帶寬的通信業(yè)務預留專用時隙，在傳輸數據的時候會出現競爭和沖突，ZigBee技術通常會采用沖突避免策略應對。MAC層在數據完整傳輸的過程，要求接收器對傳輸的每個分組進行完整確認。如果在傳輸的過程中出現意外，可以選擇重新發(fā)送。ZigBee技術支持身份驗證和身份驗證，具有循環(huán)冗余校驗（CRC）數據包完整性檢查的功能，AES-128加密算法使每個應用程序具有靈活可靠的安全屬性。

在此基礎上，ZigBee技術與其他無線設備相比，也具有很多優(yōu)勢。如圖3 所示。

4 基于ZigBee技術智能家居系統(tǒng)設計與應用

本系統(tǒng)設計主要基于ZigBee的網絡，通過使用移動APP終端，利用家居環(huán)境控制系統(tǒng)和數據傳輸網絡將家居環(huán)境情況組建成一個網絡，并在APP終端登錄網絡，實現對家居環(huán)境、家電設備控制的智能家居系統(tǒng)。

4.1照明控制系統(tǒng)

ZigBee技術用作基礎的照明控制，主要采用一對一，一對多控制。通過控制器也對一路燈光開關控制，另外一路燈光調光控制。通過使用被動紅外探測器，使得上述一路燈光進行開關控制，做到人來自動開燈，人走后延時自動關燈，或是人走時通過控制器按鍵關燈。用戶可以通過無線通信遠程控制燈光開關和強度，實現一鍵式場景控制制動效果，也確保用戶通過手機APP實現照明控制，充分利用智能產品帶來的便利。

4.2智能窗簾控制系統(tǒng)

室內的窗簾通過控制器進行打開或關閉，結合場景控制器對室內進行照明燈光的開關、調光控制，實現一鍵式場景的控制效果，并通過手機APP控制遙控燈和窗簾。當系統(tǒng)接收到發(fā)出的信號時，窗簾自然會做出相應的響應。如果提前設置窗簾開關時間，或根據燈光調節(jié)窗簾開關，可以使用戶在更舒適的環(huán)境中工作和生活。

4.3視頻監(jiān)控系統(tǒng)

本系統(tǒng)設有旋轉監(jiān)控，主要監(jiān)控戶外、室內無死角的場景位置，并將監(jiān)控到的視頻進行存儲、傳輸、播放、回放和拍攝。根據個人需求，用戶可以調取每個監(jiān)控的實時視頻并進行播放。實時監(jiān)控隨時可以知道家中發(fā)生的事情，當用戶想知道過去家中發(fā)生的事情時，只需使用手機APP點擊即可輕松查詢視頻或將其下載收集證據。

4.4音頻控制系統(tǒng)

在居家環(huán)境中，音樂能夠使用戶得到全面的放松和愉悅，不管是在客廳、餐廳還是房間用戶都能夠隨時隨地切換自己喜歡的背景音樂。可以提供外部可控聲源（如CD，DVD等）、觸摸屏播放的MP3文件、導軌式收音機模塊、一個或多個無須控制直接輸入信號的外部音頻源（例如MP3播放器，筆記本電腦）等以上4個的音頻源選擇，然后將背景音樂控制集成到場景控制中。背景音樂執(zhí)行器控制音樂的切換、開關、音量調節(jié)以及收音機頻道調節(jié)，通過場景控制實現該設備背景音樂的場景調用，并通過手機APP實現后臺控制音樂。

4.5家電控制系統(tǒng)

不同的家用電器具有不同的控制指令，在同一家用電器中也具有多種功能，這些都可以通過家電控制系統(tǒng)來實現控制。本系統(tǒng)將通過在電腦、冰箱等家電設備中安裝智能的傳感器數據采集裝置，通過對ZigBee節(jié)點進行設置，并將這些信號進一步轉化為可傳輸的數字信號，并根據節(jié)點排列。通過ZigBee組網模塊設計專門網絡，設計移動客戶端，在客戶終端 APP 通過 4G 網絡登錄，便可以查看所傳輸的信號，實現了家用電器與遠程開關控制的聯(lián)動控制。因此，智能家居系統(tǒng)設計整體框架如圖4所示。

5 結束語

智能家居的快速發(fā)展離不開無線網絡通信技術的發(fā)展。在國內，人們對居家環(huán)境所追求的智能化、低成本、低功耗的智能家居環(huán)境，通過ZigBee技術可以實現和滿足。ZigBee技術的大容量網絡，自動靈活組網和修復，高可靠性和高安全性也是智能家居的最佳選擇。因此，ZigBee技術的發(fā)展將伴隨智能家居的發(fā)展不斷進步和完善，ZigBee技術與智能家居的融合，最終會將智能家居得到更廣泛的應用。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】