基于ZigBee3.0技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

于國福

（四川長虹電子控股集團有限公司，四川 綿陽 621000）

0 引 言

家庭居住環(huán)境智能化程度的提升，可以極大地方便人們的生活，提升居住質(zhì)量。但是，傳統(tǒng)的智能家居組件的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于簡潔，連接節(jié)點數(shù)量也比較少，并且還存在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性不強的情況，嚴(yán)重影響人們的居住體驗。ZigBee3.0技術(shù)主要利用無線通信模組建立點對點的通信方式，無論是在安全性還是穩(wěn)定性方面都具有突出優(yōu)勢，可以滿足不同業(yè)務(wù)場景的實際需求[1]。在智能家居以及樓宇自動化等環(huán)境中，ZigBee3.0技術(shù)都具有良好的適配性，可以用來控制家用電器、集中照明以及采暖制冷等。另外，ZigBee3.0技術(shù)在工業(yè)自動化環(huán)境同樣可以得到有效應(yīng)用，提升工業(yè)生產(chǎn)的安全性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域同樣可以充分發(fā)揮技術(shù)本身所具有的網(wǎng)絡(luò)容量大、響應(yīng)速度快以及自動組織等技術(shù)優(yōu)勢。

1 ZigBee3.0技術(shù)特點

現(xiàn)階段，主流的無線傳輸協(xié)議主要有ZigBee協(xié)議、藍(lán)牙技術(shù)和WiFi協(xié)議等。其中，ZigBee技術(shù)主要依靠IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)，在智能家居、傳感器網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)自動化控制等領(lǐng)域都得到有效應(yīng)用。ZigBee3.0技術(shù)可以將原本處于分散狀態(tài)的無線標(biāo)準(zhǔn)簡化為單一標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)多種智能設(shè)備的無縫互操作，有效解決不同應(yīng)用層協(xié)議間的互聯(lián)互通問題[2]。應(yīng)用ZigBee3.0技術(shù)，可以全面提升網(wǎng)絡(luò)安全性，為端對端的安全通信提供保證。利用ZigBee3.0網(wǎng)絡(luò)可以連接IP網(wǎng)絡(luò)，允許智能手機、平板電腦以及計算機等設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)進行本地和遠(yuǎn)程控制，有助于家居體驗智能便捷性的提升。

2 基于ZigBee3.0技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)勢

智能家居系統(tǒng)研究工作的開展具有重要的現(xiàn)實意義，其可以有效改善人們的生活方式，為人們提供更加高效、舒適和便捷的居住條件。另外，智能家居系統(tǒng)還有利于提升家居環(huán)境安全性，有效保障人們的安全。不斷推進智能家居系統(tǒng)的普及工作，有利于整個社會安全性的全面提升。大數(shù)據(jù)技術(shù)支持下的家居系統(tǒng)，不僅可以改變?nèi)藗兊纳罘绞剑€能夠改變社會管理模式，促進構(gòu)建智慧型 環(huán)境。

ZigBee3.0技術(shù)作為一種新型局域網(wǎng)協(xié)議，主要可以用來支撐大量微小互傳感器之間的信號傳輸。將其應(yīng)用至智能家居系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，可以改善WiFi、Bluetooth等無線通信技術(shù)的應(yīng)用弊端，進一步拓展傳輸范圍、降低功耗以及應(yīng)用成本等。

基于ZigBee3.0技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計最突出的優(yōu)勢便是低能耗[3]。一般情況下，進行數(shù)據(jù)傳輸和處理時，ZigBee無線通信技術(shù)只需要1 mW的功率，待機時消耗能源將進一步降低。根據(jù)相關(guān)實驗結(jié)果，使用ZigBee通信技術(shù)的通信設(shè)備，可以利用兩節(jié)5號干電池持續(xù)工作半年甚至更長的時間，明顯長于藍(lán)牙和WiFi等技術(shù)通信設(shè)備的幾小時或者幾周的工作時間。

使用成本低同樣是基于ZigBee3.0技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計的突出優(yōu)勢，主要是可以免去專利費用，以此促進用戶使用成本的降低，最終達到節(jié)約費用的效果。ZigBee3.0技術(shù)的通信協(xié)議十分簡單，對于通信控制器的要求不高。在實際應(yīng)用中，8051單片機的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32 kB代碼，子功能節(jié)點可以少至4 kB代碼，有利于ZigBee通信技術(shù)應(yīng)用成本的大幅度降低，不僅可以滿足正常通信功能，還能夠為工作效率的增強以及通信質(zhì)量的提升提供促進作用。

除此之外，基于ZigBee3.0技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計還具有通信延時小的優(yōu)勢，可以為響應(yīng)速度提供保證，這也是該項技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的主要原因[4]。應(yīng)用ZigBee3.0技術(shù)，從網(wǎng)絡(luò)終端到連接網(wǎng)絡(luò)只需要耗費30 ms，比普通無線通信技術(shù)縮短了 5 ms的通信時間。

3 基于ZigBee3.0技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計策略

智能家居系統(tǒng)雖然可以滿足人們對于高質(zhì)量家居環(huán)境的需求，但是存在市場推廣成本高以及管理難度大等問題，智能家居系統(tǒng)的安裝也存在一定安全隱患。將ZigBee3.0技術(shù)應(yīng)用至智能家居系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，可以完善家庭網(wǎng)關(guān)，在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上實現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)設(shè)計的完善。ZigBee3.0技術(shù)還可以適應(yīng)家居房屋建筑面積所存在的局限性，實現(xiàn)短距離的高效傳輸，同時有效規(guī)避信號傳輸時的干擾。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)及系統(tǒng)特色

智能家居系統(tǒng)當(dāng)中的不同子系統(tǒng)擁有統(tǒng)一、集成、友好的操作界面，子系統(tǒng)或者設(shè)備基本不獨立運行，處于互聯(lián)、互通、互動的連接狀態(tài)[5]。以ZigBee3.0技術(shù)為基礎(chǔ)的智能家居系統(tǒng)，免去了布線環(huán)節(jié)，主要應(yīng)用無線組網(wǎng)，系統(tǒng)設(shè)計的主要標(biāo)準(zhǔn)為ZigBee3.0標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以對不同標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee3.0設(shè)備輕松兼容和接入，在升級和擴展空間方面也比較充足?；赯igBee3.0技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的特色可以歸納為無線控制、自由組合、超低能耗以及擴展性強等，具體如表1所示。

表1 基于ZigBee3.0技術(shù)智能家居系統(tǒng)特色

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

應(yīng)用ZigBee3.0技術(shù)進行智能家居系統(tǒng)設(shè)計，需要設(shè)計全開全關(guān)功能、家電控制功能、集中控制功能、防盜報警功能、情景控制功能、定時控制功能、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能、語音控制功能以及自動聯(lián)動功能等。首先，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備利用一次性操作將家庭不同功能區(qū)域所有燈光以及電氣打開或者關(guān)閉的功能。手機和平板燈已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鞑豢扇鄙俚囊徊糠?，因此所設(shè)計的智能家居系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足居民利用手機或者平板等對電器以及家居不同功能進行遠(yuǎn)程控制的要求。很多居民十分關(guān)注系統(tǒng)的防盜報警功能，一旦發(fā)現(xiàn)水管破裂以及煤氣泄漏等異常情況時，盡快將報警信息發(fā)送給指定手機。情景控制功能主要是指系統(tǒng)可以支持回家、離家、會客以及就餐等模式[6]。

設(shè)計智能家居系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循實用性原則、安全性原則以及規(guī)范性原則等，充分發(fā)揮ZigBee3.0技術(shù)優(yōu)勢，完善系統(tǒng)各方面功能。以某智能家居系統(tǒng)功能設(shè)計為例，主要運用ZigBee芯片cc2530，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成組網(wǎng)，借助ZigBee3.0技術(shù)實現(xiàn)協(xié)調(diào)器和節(jié)點通信，并且連接串口構(gòu)成完善的傳輸鏈路。

3.3 系統(tǒng)主要組成部分

智能燈光系統(tǒng)、智能窗簾系統(tǒng)、智能暖通控制系統(tǒng)、家電控制系統(tǒng)以及智能報警系統(tǒng)等都屬于基于ZigBee3.0技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的主要組成部分，具體設(shè)計如圖1所示。系統(tǒng)的不同組成部分發(fā)揮著各自的功能，為整體的智能化家居體驗的提升提供服務(wù)。以智能燈光系統(tǒng)為例，智能觸摸型開關(guān)代替了傳統(tǒng)機械開關(guān)，具有多種控制模式，包括本地?zé)艄饪刂?、遠(yuǎn)程控制、定時控制以及集中控制等多個控制模式，用戶可以依據(jù)實際需求進行燈光模式的預(yù)先設(shè)定。智能暖通控制系統(tǒng)將空調(diào)、新風(fēng)、地暖協(xié)議轉(zhuǎn)換器放置于智能家居信息箱中，有效轉(zhuǎn)變其協(xié)議為http協(xié)議，在控制和聯(lián)動時主要依靠智能家居App。運用智能家居系統(tǒng)對暖通設(shè)備開、關(guān)以及運行模式進行控制時，終端主要通過RS-485協(xié)議接口實現(xiàn)不同區(qū)域暖通設(shè)備聯(lián)網(wǎng)型溫控面板通信。智能門鎖系統(tǒng)將互聯(lián)網(wǎng)和ZigBee3.0技術(shù)融合在一起，借助云服務(wù)器、智能手機以及ZigBee終端等進行遠(yuǎn)程開鎖以及信息管理等。

圖1 以網(wǎng)關(guān)為中心節(jié)點的智能家居系統(tǒng)

3.4 區(qū)域及控制方式設(shè)計

智能家居系統(tǒng)的智能燈光面板主要被設(shè)置在入戶玄關(guān)、客廳、餐廳、廚房、臥室以及書房等區(qū)域，主要用來控制不同區(qū)域的燈光。場景面板則主要被設(shè)置在入戶玄關(guān)、客廳以及餐廳等區(qū)域，方便居民結(jié)合自身具體需求啟動對應(yīng)的預(yù)設(shè)場景，用戶可以通過智能家居App個性化設(shè)置場景模式內(nèi)容。窗簾面板和空調(diào)地暖面板主要被設(shè)置在客廳、臥室以及書房等區(qū)域，對電動窗簾以及空調(diào)地暖等進行本地控制、遠(yuǎn)程控制以及定時控制。面板觸控、手機App控制以及語音控制等屬于智能家居系統(tǒng)的主要交互方式，語音控制的實現(xiàn)主要依靠智能機器人、智能音箱、手機App音控以及Siri語音等。

3.5 家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計

ZigBee無線技術(shù)傳感器是家庭網(wǎng)關(guān)重要的構(gòu)成器件，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的實現(xiàn)提供支撐，同時還可以對網(wǎng)絡(luò)運行情況進行檢測，有效連接不同傳感器節(jié)點之間的通信。家庭網(wǎng)關(guān)不僅具有較強的傳輸功能，還具有良好的擴展性。在設(shè)計家庭網(wǎng)關(guān)時，應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合智能家居的實際情況以及具體功能，完成功能齊全的外部接口設(shè)計。智能家居處于快速更新迭代的狀態(tài)，因此需要在使用一段時間智能家居后，對其進行更新，在設(shè)計過程中需要明確數(shù)據(jù)幀格式，方便后續(xù)智能家居設(shè)備的更新升級。

家庭網(wǎng)關(guān)的硬件處理器以無線低功耗單片機CC2430為主。考慮到軟件協(xié)議復(fù)雜和數(shù)據(jù)流量大等特點，應(yīng)當(dāng)在內(nèi)含F(xiàn)LASH的CC2430基礎(chǔ)上進一步擴展存儲器，以此來專門存儲紅外脈沖碼。供電模塊以低壓差線性可調(diào)穩(wěn)壓器TPS78 601為主，將電壓穩(wěn)定至3.6 V，向整個系統(tǒng)輸出，還可以在輸出部分分別設(shè)置2.2 μF和15 pF的電容，以此縮小輸出電源的波紋，避免輸入端受到明顯干擾。短信收發(fā)則主要應(yīng)用GR64模塊這一工業(yè)級無線調(diào)制解調(diào)模塊。該模塊具有豐富的外設(shè)接口。短信模塊和單片機CC2430之間的通信主要依靠RS-232協(xié)議。這兩者為GSM網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。

4 結(jié) 語

ZigBee3.0技術(shù)的出現(xiàn)，為打破不同產(chǎn)品類型、不同品牌以及不同應(yīng)用場景之間的壁壘提供了可能。以這一技術(shù)為基礎(chǔ)完成智能家居系統(tǒng)的構(gòu)建，可以明顯提升系統(tǒng)控制的智能化程度以及便捷性，支撐不同類型智能家居產(chǎn)品的互聯(lián)互通以及多平臺操作，滿足智能家居系統(tǒng)的通信需求，屬于現(xiàn)代化智能家居系統(tǒng)當(dāng)中較為理想的通信方式。今后，應(yīng)當(dāng)進一步發(fā)揮ZigBee3.0技術(shù)的高穩(wěn)定性、高安全性、高效率以及低成本等優(yōu)勢，促進智能家居行業(yè)的進一步發(fā)展。