基于ZigBee的智能家居控制系統的設計

徐磊+徐霄瀚+王強

摘 要：隨著科技的發展和人民生活水平的提高，智能家居的應用日益廣泛。智能家居不但具有傳統意義上的居住功能，更為重要的是為人們提供一個安全舒適的家庭生活空間。智能家居通過智能系統為人們提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，不但為人們有效合理地安排了時間，增強家居生活的安全性，而且可以節約各種能源費用。該文介紹，無線通信ZigBee技術可對智能家居進行控制，使其具有低成本、低功耗的特點，能夠實現安防監控、室內環境檢測、手機APP監控等功能。

關鍵詞：智能家居 ZigBee 低功耗 APP監控

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（b）-0001-02

隨著經濟的發展，生活水平的提高，生活節奏的加快，設計一種智能化的居住環境可以為人們的生活提供各種便利。同時，人們也渴望一種智能化的居住環境，保證生活的安全性、快捷性便利性。智能家居融合了無線傳感網絡技術和計算機技術。該文介紹，智能家居控制系統采用了ZigBee技術。系統的架構和總體設計為：通過ZigBee技術，使用CC2530作為無線傳感網絡節點的核心芯片，CC2530連接傳感器，構成節點。節點之間采用星形網絡拓撲結構，組成智能家居傳感網絡。節點設備可以對家居環境內的狀態信息進行采集和數據預處理。該系統雖然不足以反映現代智能家居系統的全貌，但是在某些方面體現出智能家居的方便性和實用性，以及其廣泛的應用前景。

1 ZigBee技術簡介

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。根據國際標準規定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。它的特點是近距離、低功耗等，主要適用于自動控制和遠程控制等領域，同時可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網通訊技術。ZigBee協議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網絡層（NWK）、應用層（APL）等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規定。ZigBee的特性如下所示：（1）在低耗電待機模式下，2節干電池可支持1個節點工作6～24個月，甚至更長。這是ZigBee的最突出優勢之一。相比較而言，藍牙能工作數周，WiFi可工作數小時。（2）低成本，而且ZigBee免協議專利費。（3）低速率，能夠滿足低速率傳輸數據的應用需求。（4）近距離，傳輸范圍一般在10～100 m之間，在增加發射功率后，能夠增加到1～3 km。（5）短時延，ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15 ms，節點連接進入網絡只需30 ms。（6）高容量，最多可組成65 000 個節點的大網。（7）高安全，ZigBee提供了三級安全模式。

ZigBee技術的特點完全符合家庭網絡通訊的需求，因此選擇ZigBee技術作為智能家居的無線網絡系統。

2 智能家居無線網絡系統

該系統以家庭為單元進行設計安裝，每個家庭都需要安裝一個家庭網關以及若干個ZigBee子節點。在家庭網關和每一個節點上都安裝一個無線網絡收發模塊，通過這些無線網絡收發模塊，數據在網關和節點之間進行傳送，再通過上位機或者手機進行遠程監控。其系統組成如圖1所示。

該次設計的監控系統采用目前市場上較為流行的手機APP進行實時監控。不僅開發時的安裝及調試十分便利，而且用戶操作也非常方便。另外通過硬件的設計制作出模擬的智能家居系統，再將智能家居系統中檢測到的參數傳輸到手機APP中。在模擬時，通過串口調試工具可以實時顯示各個傳感器信息。

該次設計的主要功能分為3個方面：安全性、智能性和快捷性。

安全性方面需注意以下幾點。

（1）對廚房的天然氣泄漏進行監控。

（2）對家庭內進行火災監測和預防。

（3）對廚房和臥室的煙霧進行監控。

（4）通過熱釋紅外來識別門的狀態。

（5）通過手機APP對上述參數進行實時監測。

智能性方面需注意以下幾點。

（1）使用雨水傳感器來控制窗戶的開關。

（2）使用光敏傳感器來控制窗簾的開關。

（3）使用光敏傳感器來控制電燈的亮滅。

（4）使用溫度傳感器來模擬調節空調的模式。

（5）使用溫濕度傳感器來控制加濕器工作。

（6）通過手機APP對家庭中各種設備進行控制。

快捷性方面需注意以下幾點。

（1）將智能家居系統中檢測到的參數傳輸到手機APP中。

（2）通過手機APP觀察家中各種用電設備的工作情況。

3 智能家居發展現狀及未來趨勢

智能家居理念雖然在很早就已經進入中國老百姓的視野，但是由于我國網絡信息技術的局限性，智能家居一直沒能得到很好的推廣和發展。綜合多種因素，總結出限制我國智能家居發展的原因有如下幾點：（1）未能制定出一套合理可行的行業規范標準；（2）跨產業合作不足和社會合作不夠完善；目前我國的社會服務體系尚未健全，缺乏相應的供應鏈和接收鏈，網絡家電難以應用于整個社會的服務。

我國智能家居未來發展將以實現“大家帶小家”的發展模式，實現安裝滿足符合中國家庭實際需要的智能系統以及實現高效、節能、環保的智能家居模式為目標。

4 結語

伴隨著互聯網技術的應用以及系統解決方案實施，智能家居將進一步從單一的產品銷售轉變為提供系統集成服務和整體的解決方案，能夠實現從傳統零售業向現代服務業的轉型升級。在現代家庭中，人們對個性化的需求越來越強烈，DIY智能化設計將引領智能家居。智能家居作為一個新型產業，目前處于一個導入期與成長期的臨界點，市場消費觀念還未形成，但隨著智能家居市場推廣普及的進一步落實，倘若培育起消費者的使用習慣，智能家居市場的消費潛力必然是巨大的，產業前景光明。智能家居的未來發展，主要是在基于多個領域新技術的基礎上，不斷彌補和改進目前智能家居系統的缺點和不足，使得智能家居系統更加完善、功能更加強大，進一步提高智能家居的舒適性和安全性。

綜上所述，該文通過無線通信ZigBee技術對智能家居進行控制的介紹，展示智能家居在現代生活中的必要性。

參考文獻

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