Zigbee無線通信技術在智能家居系統中的應用

摘 要：根據智能家居控制系統對控制信息和數據信息傳輸環境的需求，設計了一種基于ZigBee的智能家居系統的低功耗無線傳感器網絡。

關鍵詞：Zigbee；無線傳感器；智能家居

隨著人們對生活品質的不斷追求以及住宅智能化技術的不斷發展，智能家居系統內容得到了豐富和完善。利用現代發展較快的網絡通信技術、綜合布線技術等，將家居生活有關的電器、傳感器、通訊設備等整合，更好地滿足人們對智能家居系統的高品質、高品位的需求。Zigbee技術是一種近年來興起的近距離無線通信標準，該技術主要用于低速率的無線傳感器網絡和控制網絡的設計，它基本能夠滿足小型化、低成本設備的無線組網要求。

1 ZigBee技術研究

在無線短距離小數據量雙向傳輸方面，ZigBee表現出的近距離、低速率、復雜度低、功耗低和成本低等特點成為它能占據短距離范圍之內在各種電子設備之間傳輸少量數據網絡市場上一席之地的優勢。通過ZigBee傳輸的數據主要有傳感器節點信息、各種控制命令及間歇性、周期性數據。

通過近年來對ZigBee技術的研究，歸納其主要特點如下：

（1）具有較低傳輸速率。傳輸速率為10kbps到250kbps，適合對速率要求不高的低數據傳輸場合如智能家居、醫療等；

（2）具有較大優勢的低功耗。當選擇工作在低耗電待機模式，兩節普通5號電池，ZigBee設備大概可使用6-24個月，免去了頻繁的充電、更換電池的麻煩；

（3）設備成本低廉。是Zigbee迅速發展起來的一個關鍵因素，其數據傳輸速率低，協議不復雜并可根據需要合理刪減調整，大大降低了生產成本；

（4）網絡容量較大。可容納多達65000個節點。一個典型的具有星形拓撲結構的ZigBee網絡可容納一個主設備和254個從設備，在一個區域內又可以容納100個ZigBee網絡，靈活的自組織網技術使網絡組建工作高速有效；

（5）安全可靠。ZigBee提供基于循環冗余校驗（CRC）的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用高級加密標準AES-128的對稱密碼加密算法，可以靈活確定其安全屬性；

（6）近距離傳輸。有效覆蓋范圍10-100米，基本上能覆蓋普通的家庭或辦公室環境，若通過增加路由傳輸距離可以更遠；

（7）工作頻段免執照。工作頻段分別為868MHz（歐洲），915MHz（美國）及2.4GHz（全球），且都為免執照頻段。本設計工作頻段為2.4GHz。

根據ZigBee技術的以上特點，當需設計的控制系統具有如下特點時可采用此技術：

（1）對設備成本有較高要求，傳輸的數據量不大，適用于推廣進人普通用戶家庭；

（2）要求設備體積較小，不便設置電源模塊，不能頻繁更換電池或更換電池不方便，使智能家居產品方便操作、生命周期長；

（3）通信覆蓋范圍廣，網絡設備多，但數據量不大，用于監測或者控制等。

2 智能家居系統體系結構及實現功能簡述

本文的智能家居設計主要分為三大模塊：GPRS網絡模塊、傳感器節點模塊以及ZigBee通信模塊。GPRS網絡模塊實現智能家居系統與用戶間遠程交互家電信息數據、控制管理命令等數據，同時響應內網的實時報警、用戶的監管動作。當傳感器節點收集到室內狀態信息后，通過ZigBee模塊上傳至家庭網關，同時通過該模塊將外部監控命令下發至各傳感器分節點。

對目前的智能家居系統進行研究和分析，設計一個基本的智能家居系統，功能具體描述如下：

（1）安防功能：實現實時監控火警、煤氣泄漏的發生及非法闖人。通過外網傳輸報警信息與用戶交互，根據指示啟動相關應急措施。

（2）通訊功能：可主動通知用戶家中安防狀況，同時可接受客戶遠程查詢信息、接收控制信號等。

（3）家電調控功能：根據環境狀況和用戶指令實現對家電的定時開啟、關閉及監測等。

（4）系統自組網功能：實現住宅內各傳感器接入、退出的自組網工作，并通過用戶界面執行管理傳感器、操作家電等功能。

3 ZigBee通信模塊設計及其網絡組建

本智能家居系統設計采用符合IEEE802.15.4標準的片上ZigBee產品是無線收發器CC2430。無線收發器CC2430是一種射頻發射芯片，采用18pmCMOS工藝制造，工作電流損耗為27mA，接收和發射模式時損耗甚至更低。

本設計ZigBee模塊結構示意圖如圖1所示。該模塊由CC2430核心處理器、無線收發模塊、各類傳感器、各類I/O接口電路和供電模塊組成。

Zigbee采用自組織網通信方式。ZigBee模塊與傳感器MCU通信分為同步SPI模式和異步DART模式。本系統設計采用波特率設置為960的DART全雙工異步傳輸模式。采用ZigBee星形結構，包括一個協調器和若干終端設備，所有數據包均通過唯一的協調器中繼。因此該網絡只具有兩類網絡節點：一類是主節點，一類是分節點。

4 結束語

本文介紹的基于ZigBee技術的智能家居系統的設計和實現，采用星形ZigBee網絡實現家庭內網組建。將ZigBee技術與日常生活實際應用結合，有助于智能家居系統的推廣。降低智能家居系統能耗、提高產品生命周期。

[參考文獻]

[1]丁飛，張西良，張世慶.基于ZigBee的無線通信技術及其應用[1].江蘇通信技術.2006.

[2]王健，劉忱.ZigBee組網技術的研究[J].儀表技術.2008.

[3]馬菁菁.ZigBee無線通信技術在智能家居中的研究[D].武漢：武漢理工大學.2007.

[4]張周.ZigBee技術研究及其在智能家居中的應用[D].廈門：廈門大學.2008.