基于ZigBee網絡的智能家居系統設計

摘 要 從ZigBee技術的特點和智能家居的需要出發，論述了ZigBee技術在智能家居系統中的適用性，并選擇了DigiMesh網絡進行無線網絡的設計，滿足了家居設備多樣化、可拓展的需求，并具有一定的抗干擾性，可以使網絡穩定運行。在傳統的室內環境監控和照明系統的基礎上，增加了安防系統的設計，并通過匯聚節點連接互聯網，組成了物聯網的平臺，可以通過微信公眾號進行普通室內數據的推送和查看，遇到緊急情況可以通過手機短信的方式進行提醒。

【關鍵詞】ZigBee 智能家居 安防系統 物聯網 DigiMesh

隨著無線通信技術、嵌入式設計、傳感器技術的發展，物聯網的概念得以產生并真正進入人們的生活，其中智能家居是其中的一部分并且與日常生活息息相關，對傳統家居的安全性、可管理性和可靠性方面具有很大提升。使用無線通信技術進行智能家居系統設計，可以有效避免有線方式帶來的布局的繁瑣，提高了系統的靈活性。

對于智能家居系統而言，網絡通訊數據量小、在傳輸速度上要求也不高，但是家居數量一般較大其具有可變更性，對此需要選擇合適的通訊協議進行通信。ZigBee技術是一種新型的短距離、低功耗的無線通信技術，非常適合智能家居系統的需求。

1 ZigBee技術介紹

本文需要進行無線通訊網絡的設計，首先要考慮的就是無線通信技術的選擇。目前常用短距離通訊技術有ZigBee、無線局域網、藍牙和超帶寬，如表1所示，他們之間有不同的特點。

ZigBee協議是一種雙向通信協議，和傳統通信協議不同的地方在于，它是針對低功耗、低傳輸率的無線網絡設計的。針對現實中的應用需求，一些著名的ZigBee廠商如摩托羅拉組建ZigBee聯盟，并就無線通信協議中的網絡層和應用層給出了相應的協議規范。ZigBee標準是從ZigBee協議發展而來的，主要是ZigBee聯盟負責標準的相關工作，2014年已發布第一個ZigBee標準。由于ZigBee標準的確定，基于ZigBee的模塊及其使用方法也相應發布。

ZigBee具有很多適用于智能家居系統的特點：

（1）傳輸速率最大只有250 Kbp/s，主要用于短距離小數據傳輸，對智能家居系統而言，只要是應答信號的響應，不需要很快的傳輸速率；

（2）功耗低，每個節點的ZigBee模塊在工作模式下的電流大小僅為幾十毫安，一般兩節電池可以供一個節點使用6-24個月，一次安裝之后，短時間就不需要更換電池；

（3）ZigBee協議在通信的可靠性方面較高。ZigBee對數據傳輸進行專門優化，可以有效避免數據發送時的沖突，每個數據包發送后再進行下一個數據包的發送，用于室內家居，在數據傳輸方面可以有保障；

（4）傳輸距離在無遮擋物時可以達到100m，室內環境中一般可以達到10m；

（5）單個ZigBee節點可連接256個節點，具有較大的網絡容量，可以滿足家居系統中各種電氣設配使用以及環境監控的需求；

（6）由于ZigBee協議免費使用，而且使用ZigBee技術的設備技術難度比較小，能夠有效地節省設備成本。

由此可知，基于ZigBee技術的智能家居系統布置方便，并且在布置之后，后續管理所需要的成本很低，也不需要人們對此花費很大精里。

2 系統總體結構設計

智能家居系統主要有三部分組成：以傳感器技術為核心的智能終端、中央控制器和用戶控制終端，如圖1所示。

傳感器終端為ZigBee模塊，可以將其稱為信息采集節點，使用支持ZigBee協議的芯片對傳感器進行信息采集和控制。終于控制器同樣使用支持ZigBee協議的芯片，稱為匯聚節點，用于接收信息采集節點發送的數據或者主動發送數據用于對信息采集節點進行控制，兩者之間使用ZigBee技術進行無線通信。用戶控制終端包括電腦和手機設備，匯聚節點將采集到的信號通過以太網發送到網絡服務器，用戶根據需要可以通過網頁方式進行主動查看或者通過手機微信公眾號的方式進行推送；同時匯聚節點內置GPRS芯片，遇到緊急情況例如煤氣泄露、著火等可以通過手機短信的發送發送到預先設置好的手機號中。

3 ZigBee節點設計

由系統的總體結構可以知道，信息采集節點和匯聚節點是智能家居系統的主要部分，兩者之間通過ZigBee技術進行通信，對此需要對ZigBee技術的網絡結構進行研究。

Zigbee技術支持3種標準的網絡結構：星型結構、簇樹結構和網狀結構，如圖2所示。

星型結構是最簡單的組成方式，包括一個協調器和多個終端設備，終端設備和協調器之間相互通信。簇樹網絡可以對星型結構中終端設備數量進行了進一步擴充，相比星型結構而言增加了路由器這一種ZigBee節點類型，終端設備需要先與路由器進行通信，然后通過路由器將信息傳輸至協調器進行處理，終端設備與協調器之間不能直接進行通信。網狀結構將星型結構和簇樹結果相結合，終端節點可以直接與協調器進行通信，也可以通過路由器和協調器進行通信，在設備啟動時，終端設備會根據距離協調器的遠近，自動選擇直接通信或者通過路由器進行通信，力求達到最好的傳輸效果和最短傳輸路徑。

在3種標準的網絡結構之外，還有一些別的網絡結構。如圖3所示，是DigiMesh網絡的結構示意圖，該結構是基于Mesh網絡，適合用于實際場景比較復雜的使用環境，同時在測量范圍上也可以進一步提高。

DigiMesh網絡相對Mesh網絡而言，對節點上進行了一定簡化。在DigiMesh網絡中，所以節點在功能上都是對等的。在實際使用時，只需要將其中一個節點設置為協調器，其余的節點經過簡單設置之后，可以根據網絡中需要自動擔任終端設備或者路由器節點的功能。且該網絡抗干擾能力和可靠性很強，當某一些節點因為斷電或者老化等因素無法正確工作時，通過該節點進行通信的節點會自動選擇其余節點進行通信，不會因為一個節點的故障使得整個網絡無法工作。

4 無線節點硬件設計

確定了智能家居系統的組網方式之后，我們需要將終端節點與實際使用相結合。如圖4所示，先將硬件系統分為三大部分，即室內環境系統、照明系統和安防系統。

室內環境系統主要是通過溫度、濕度傳感器對室內的溫濕度數據進行監控，并將溫濕度數據傳輸至協調器（匯聚節點）對空調或者空氣加濕器等設備對室內的環境參數進行調整，使其得到最舒適的人體感受狀態。本部分的溫度傳感器與終端處理器就組成了終端設備，也是信息采集節點，匯聚節點可以通過預設一個溫度、濕度的數值，根據節點采集的數據與預設的數值進行比較，在高于或者低于預設值時進行調整，達到一種智能調整的方式。

照明系統是家居環境中最常使用的一個部分。光線傳感器可以將室內光照強度發送至協調器，根據時間和明亮程度進行照明系統的調整。比如中午時候，如果光照強度過高，可以選擇控制窗簾開關拉上窗簾；傍晚時候，如果室內較暗就打開某一些燈的開關。夜里時候，可以使用聲音傳感器，例如有人起夜時候可以選擇打開衛生間的燈光開門。同時，可以記錄各部分照明設備的工作時間，當達到使用壽命90%的時候，可以主動進行提醒，以便及時更換相應照明設備。

安防系統是最不常用的一部分，但是在家居生活中具有重要作用，需要對該部分進行考慮。該部分主要可以包括通過煤氣傳感器探測以防煤氣泄露，在緊急情況下可以通過匯聚節點向設定手機號發送短信。紅外傳感器可以對人體等紅外信號進行探測，可以在晚上睡覺和家里沒有人時候開啟，安裝位置可以選擇窗戶和門后，當有人經過時，可以向家人進行報警，放置壞人入侵。

該部分對室內環境系統、照明系統和安防系統著三部分的可能需要的硬件設計種類進行簡單描述，實際的家居中可能根據需要進行進一步細化，不同家庭的需要也不一樣，在實際設計時候可以根據需要進行適當的節點種類刪減或者增添。

5 結束語

本文以ZigBee技術為無線通訊協議，通過對ZigBee網絡結構的分析，家居環境中硬件節點的分析和設計，建立了低功耗、可靠性高、可塑性強的智能家居系統，在常用的室內環境監控和照明系統之外，增加了安防系統，對居家的安全性提供更高的保障。未來可以建立統一的標準，對終端進行模塊化設計，在建立智能家居系統和系統升級方面更加便利。

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作者簡介

許云龍（2000-），男，研究方向為計算機。

作者單位

北京市第十三中學 北京市 100009