基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)研究綜述

李東林 古麗米拉·克孜爾別克

摘? 要： 智能家居是利用移動通信、遠程控制、可控傳感器等技術(shù)對家居進行遠程監(jiān)控，構(gòu)建全面的家居管理系統(tǒng)。智能家居利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中的各類家居集成到一起，提供便捷安全的家用電器控制、燈光控制、窗簾控制、安防控制、環(huán)境監(jiān)測、暖通控制、紅外轉(zhuǎn)發(fā)等多種功能。ZigBee通信技術(shù)具有復(fù)雜度低、體積小、能耗少、成本低等特點，是智能家居內(nèi)部組網(wǎng)的首選。文章介紹了基于ZigBee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞： 智能家居; 紅外遙控技術(shù); ZigBee; 傳感器; 遠程控制

中圖分類號：TP23? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1006-8228（2019）06-23-04

Abstract： Smart home uses mobile communication， remote control， controllable sensors and other technologies to monitor and control the home remotely， build a comprehensive home management system. Smart home uses network communication technology and Internet of Things technology to integrate all kinds of home equipment together， providing convenient and safe household appliances control， lighting control， curtain control， security control， environmental monitoring， HVAC control， infrared forwarding and other functions. ZigBee communication technology has the characteristics of low complexity， small size， low energy consumption and low cost， so it is the first choice for smart home internal networking. In this paper， a design scheme of smart home control system based on ZigBee technology is introduced.

Key words： smart home; infrared remote control techniques; ZigBee; remote control

0 引言

隨著生活水平的提高及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對于生活品質(zhì)的追求越來越高。以往的“半智能”家電已不能滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰?，完整的系統(tǒng)化智能家居設(shè)計方案一經(jīng)推出便得到了廣大消費者的青睞。智能家居是以家庭住宅為核心，利用遠程控制技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)智能化的家居生活。智能家居最主要的特點是智能化，即在普通家居的功能基礎(chǔ)上引入控制器，使其不僅具有傳統(tǒng)家居的功能，還具有信息傳遞、實時監(jiān)測、遠程控制以及當(dāng)家居環(huán)境出現(xiàn)異常時自動報警并將信息實時發(fā)送給用戶等功能。本項目基于ZigBee通信，將普通手機作為智能家居系統(tǒng)的中控機，設(shè)計一款新型的智能家居控制系統(tǒng)，實現(xiàn)外網(wǎng)遠程控制家庭的窗簾、電燈、電器、門禁等。該系統(tǒng)不但可以提高用戶的生活質(zhì)量，也可節(jié)約生活費用成本，降低用戶的經(jīng)濟負擔(dān)。

1 智能家居的發(fā)展概況及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 智能家居的發(fā)展概況

智能家居的概念很早便被提出了，但是一直都沒有具體的實施方案。直到1984年美國聯(lián)合科技公司將建筑設(shè)備進行信息化、整合化。這項設(shè)計應(yīng)用于美國康乃迪克州哈特佛市的一座舊式大樓的改造，聯(lián)合科技公司采用計算機系統(tǒng)對大樓的空調(diào)、電梯、照明等設(shè)備進行監(jiān)測和控制，并提供語音通信等方面的信息服務(wù)，至此首棟智能型建筑誕生，也揭開了智能家居發(fā)展的序幕。此后，美國電子工業(yè)協(xié)會于1988年編制了第一個適用于家庭住宅的電子設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，即：《家庭自動化系統(tǒng)與通訊標(biāo)準(zhǔn)》，也有稱之為家庭總線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn);我國也在 1997 年初開始制定《小康住宅電氣設(shè)計（標(biāo)準(zhǔn)）導(dǎo)則》。在“導(dǎo)則”中規(guī)定了小康住宅小區(qū)電氣設(shè)計總體上應(yīng)滿足以下要求：高度的安全性;舒適的生活環(huán)境;便利的通訊方式;綜合的信息服務(wù);家庭智能化系統(tǒng)。同時也對小康住宅與小區(qū)建設(shè)在安全防范、家庭設(shè)備自動化和通訊與網(wǎng)絡(luò)配置等方面提出了三級設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，即：第一級為“理想目標(biāo)”;第二級為“普及目標(biāo)”：第三級為“最低目標(biāo)”[1]。

1.2 國外智能家居的發(fā)展現(xiàn)狀

1984年美國在哈特福德市建成了世界上第一幢智能化大廈，世界上的經(jīng)濟強國紛紛加入智能家居開發(fā)中來，提出了不同的智能家居構(gòu)建方案。經(jīng)過幾年的發(fā)展，智能家居在美國、德國、新加坡、日本等國都廣泛的應(yīng)用開來[2]。20世紀(jì)末在新加坡舉辦的“亞洲家居電器與電子消費品國際展覽會”上，“未來之家”首次出現(xiàn)在人們面前，其中的家居智能系統(tǒng)也隨之在世人面前亮相。在新加坡有近30個住宅小區(qū)采用了“智能家居系統(tǒng)”。美國已有近40000戶家居安裝并使用了這款系統(tǒng)。伴隨著信息產(chǎn)業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，家庭智能化改造的成本費用也在不斷降低。目前，在全球范圍內(nèi)，涉足計算機行業(yè)、家電行業(yè)以及通信等行業(yè)的公司都把目光集中在智能家居的發(fā)展上，紛紛進入這個領(lǐng)域。如硅谷智能化家居服務(wù)技術(shù)也成為其投資和研發(fā)的熱點;三星公司2003年在中、韓兩國同時推出了智能家居系統(tǒng)，該公司通過機頂盒和網(wǎng)絡(luò)，把家居自動控制、家電安防設(shè)備、娛樂和信息傳遞中心這四部分集成一個全面的、面向互聯(lián)網(wǎng)的智能化家居設(shè)計。因此，總體而言，國外的智能家居技術(shù)已經(jīng)日趨成熟并達到了一定的水平[3]。

1.3 國內(nèi)智能家居的發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)智能家居產(chǎn)品的研發(fā)從上世紀(jì)九十年代后期才起步，較國外的發(fā)展來說起步很晚，在整體水平上也參差不齊，軟硬件功能較差，升級能力差，系統(tǒng)維護困難，大都采用了有線通信技術(shù)為基礎(chǔ)進行系統(tǒng)設(shè)計，布線成本較高?；跓o線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)目前還出于試驗階段，很多廠商對該產(chǎn)品的核心技術(shù)并不擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。國內(nèi)的智能家居控制系統(tǒng)產(chǎn)品很多，據(jù)估計有數(shù)百個品種，小至三五個人的小公司，大至上千人的國企，都有人涉及智能家居的研發(fā)和生產(chǎn)。于是，中國就產(chǎn)生了上百個互不兼容的標(biāo)準(zhǔn)，至今還沒有哪一個智能家居系統(tǒng)產(chǎn)品能夠占領(lǐng)國內(nèi)智能家居市場的百分之十。由此可見，在技術(shù)發(fā)展較為成熟今天，推進標(biāo)準(zhǔn)化進程是智能家居系統(tǒng)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急[5]。

智能家居是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的重頭戲，在國家對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展政策的積極引導(dǎo)下，家電企業(yè)、IT企業(yè)、安防企業(yè)紛紛加大對智能家居的投入，很大程度上推動了智能家居產(chǎn)品的發(fā)展。與此同時，智慧城市概念的提出也為智能家居產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了新的動力[6]。目前，全國范圍內(nèi)智能家居體驗館如雨后春筍般的建立起來，目的是讓用戶可以得到身臨其境的體驗，親身感受智能家居所帶來的便利生活。

2 基于ZigBee技術(shù)智能家居系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)簡介

2.1 ZigBee技術(shù)

我國將ZigBee譯為“紫蜂”，其靈感來源于蜜蜂的八字舞蹈，實現(xiàn)方位信息傳遞，從而逐漸形成強大的通信網(wǎng)絡(luò)。ZigBee是一種局域網(wǎng)通信協(xié)議。它是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，它主要用于低功耗、短距離且低傳輸速率的電子設(shè)備中，用來進行各種電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。對于有周期性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備尤其適用。該項技術(shù)主要適合用于信息傳遞和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。被業(yè)界認為是最有可能應(yīng)用在工控場合的無線方式[7]。

2.2 嵌入式系統(tǒng)

智能家居系統(tǒng)對嵌入式有較強的依賴性。嵌入式系統(tǒng)的特性具體表現(xiàn)在：①具有很強的專用型，是根據(jù)用戶，產(chǎn)品的實際需求進行使用。②該系統(tǒng)融合了電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)等多種技術(shù)。③其應(yīng)用過程能夠根據(jù)軟硬件的功能特性進行自主裁剪，有利于降低系統(tǒng)功耗、增強系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少制作成本等優(yōu)點。在學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)時應(yīng)從軟件、存儲器、處理器等方面入手，詳細的了解嵌入式系統(tǒng)組成[8]

2.3 智能家居系統(tǒng)的開發(fā)技術(shù)分析

江煜，許飛云，楊忠，于繼明等在“基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計”一文中設(shè)計的新型智能家居系統(tǒng)。其硬件系統(tǒng)包括C51開發(fā)的ZigBee節(jié)點和協(xié)調(diào)器、Java開發(fā)的Android中控機;軟件系統(tǒng)包括C語言開發(fā)的服務(wù)器軟件、Web Service和SQL Server數(shù)據(jù)庫[9]。

彭銀橋，吳吉在“基于ZigBee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)”一文中設(shè)計的智能家居系統(tǒng)主要由STM32上位機和遙控器、Zigbee 協(xié)調(diào)器以及節(jié)點和設(shè)備三部分組成。系統(tǒng)初始化時，ZigBee協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)，ZigBee節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，加入成功后，會把自己的地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收并保存全部節(jié)點的地址，以備之后解析地址。用戶用遙控器通過紅外接頭和STM32通信，STM32接收用戶命令，通過串口把要操作的節(jié)點和命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收消息后，判斷用戶是切換節(jié)點還是操作當(dāng)前節(jié)點，再轉(zhuǎn)換成命令消息，并轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的消息到對應(yīng)的節(jié)點，節(jié)點接收消息并解析消息，從而控制相應(yīng)的設(shè)備[10]。

何勉，許軍在“基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計”一文中設(shè)計了智能家居系統(tǒng)主要包括ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)和嵌入式Web服務(wù)器，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)遵循TI公司的ZigBee2007協(xié)議棧Z-Stack，采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，包括協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器負責(zé)組建家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)，接收終端節(jié)點發(fā)來的傳感器數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給嵌入式Web服務(wù)器，并轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的控制命令給終端節(jié)點。終端節(jié)點采集環(huán)境數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，并接收協(xié)調(diào)器的控制命令并執(zhí)行。終端節(jié)點連接溫濕度傳感器、煙霧傳感器、熱釋電傳感器、光照度傳感器等，用于測量家庭環(huán)境數(shù)據(jù)，連接繼電器模塊控制家用電器。嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計是在STM32微控制器上移植TCP/IP協(xié)議，通過串口與ZigBee協(xié)調(diào)器通信，通過以太網(wǎng)接口接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，用戶使用電腦、手機等監(jiān)控設(shè)備與終端設(shè)備交互[11]。

張媛一，張景全，王春來在“基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計”一文中設(shè)計的智能家居系統(tǒng)主要有三部分：遠程終端、PC和家庭內(nèi)部zigbee網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)功能主要集中于家庭內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用星形拓撲結(jié)構(gòu)連接家庭各種家庭設(shè)備和家庭電器，對家庭內(nèi)部的安防和電器智能控制有很大的作用。通過連接由 PC 進行信號進行顯示和控制，遠程終端即是在遠端對家庭內(nèi)部的環(huán)境進行查詢管理。在本課題中主要是集中于家庭內(nèi)部 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，并通過PC 對家庭環(huán)境進行檢測和簡單控制[12]。

綜上所述，智能家居系統(tǒng)是中控機通過無線通信技術(shù)連接控制器，中控機通過ZigBee技術(shù)將信息傳送給終端，終端解析后執(zhí)行指令。每個ZigBee節(jié)點可以連接多個設(shè)備，包括門禁、窗簾、溫度傳感器、可燃氣體傳感器、電視等，大致可以分為以下幾個模塊：紅外控制模塊、溫濕度控制模塊、空氣質(zhì)量監(jiān)控模塊、燈光控制模塊等。每個模塊互不影響?yīng)毩⒐ぷ?，模塊數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)及通信模塊傳遞到控制中心，供用戶查看及操作。

3 基于ZigBee技術(shù)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計方案

根據(jù)需求分析，本文設(shè)計的智能家居系統(tǒng)主要是由四大塊組成如圖1所示。分別是手機終端控制APP、服務(wù)器通信、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、各種終端設(shè)備。其中終端設(shè)備有：溫濕度傳感器、光照傳感器、氣體傳感器、人體紅外傳感器、開關(guān)控制模塊。網(wǎng)關(guān)設(shè)備是由CC2530模塊和ARM處理器組成。終端設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間的通信使用ZigBee技術(shù)。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器之間使用Socket技術(shù)進行通信，手機APP與服務(wù)器之間也是通過Socket技術(shù)進行數(shù)據(jù)的相互訪問。最終實現(xiàn)用戶使用手機客戶端對終端設(shè)備的控制。

4 總結(jié)

本作者查閱多本文獻發(fā)現(xiàn)，智能家居系統(tǒng)是目前設(shè)計研究的大熱門，其中以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計占到大多數(shù)。智能家居是未來家居的發(fā)展方向，所以選擇了低成本、低功耗、低復(fù)雜度的ZigBee方式組建智能家居網(wǎng)絡(luò)。智能家居是一個集合系統(tǒng)，包括家庭安防、燈光控制、家電控制、室內(nèi)環(huán)境狀況監(jiān)測和設(shè)備控制、遠程的視頻監(jiān)控、聲音監(jiān)聽、家庭影音系統(tǒng)、緊急求助系統(tǒng)等，本文采用ZigBee技術(shù)為核心結(jié)合、網(wǎng)關(guān)技術(shù)和手機終端遠程控制APP設(shè)計了一種智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了溫濕度檢測、光照檢測、氣體檢測、人體紅外檢測、和手機遠程控制功能。

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