淺談ZigBee 技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用

莫玉華

江蘇省常州技師學(xué)院電氣工程系 江蘇常州 213032

ZigBee最初預(yù)計(jì)的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括消費(fèi)電子、能源管理、衛(wèi)生保健、家庭自動(dòng)化、建筑自動(dòng)化和工業(yè)自動(dòng)化。隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，ZigBee又獲得了新的應(yīng)用機(jī)會(huì)。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)邊緣應(yīng)用最多的就是傳感器或控制單元，這些是構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的最基礎(chǔ)最核心最廣泛的單元細(xì)胞，而ZigBee能夠在數(shù)千個(gè)微小的傳感傳動(dòng)單元之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，并且這些單元只需要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以它的通信效率非常高。這種技術(shù)低功耗、抗干擾、高可靠、易組網(wǎng)、易擴(kuò)容，易使用，易維護(hù)、便于快速大規(guī)模部署等特點(diǎn)順應(yīng)了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的要求和趨勢(shì)。目前來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)和ZigBee技術(shù)在智能家居、工業(yè)監(jiān)測(cè)和健康保健等方面的應(yīng)用有很大的融合性。

一、ZigBee技術(shù)概述

蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花叢后會(huì)通過(guò)一種特殊的肢體語(yǔ)言來(lái)告知同伴新發(fā)現(xiàn)的食物源位置等信息，這種肢體語(yǔ)言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡(jiǎn)單傳達(dá)信息的方式。借此意義Zigbee作為新一代無(wú)線通訊技術(shù)的命名。簡(jiǎn)單的說(shuō)，ZigBee是一種高可靠的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類(lèi)似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類(lèi)似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無(wú)限擴(kuò)展。

每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以作為監(jiān)控對(duì)象，例如其所連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD)還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)(RFD)無(wú)線連接。

ZigBee技術(shù)的安全性較高，其安全性源于其系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)：采用AES加密(高級(jí)加密系統(tǒng))，嚴(yán)密程度相當(dāng)于銀行卡加密技術(shù)的12倍;其次，ZigBee采用蜂巢結(jié)構(gòu)組網(wǎng)，每個(gè)設(shè)備不僅能通過(guò)多個(gè)方向與網(wǎng)關(guān)通信，保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性;每個(gè)設(shè)備還具有無(wú)線信號(hào)中繼功能，可以接力傳輸通訊信息把無(wú)線距離傳到1000米以外。另外，其網(wǎng)絡(luò)容量理論節(jié)點(diǎn)為65300個(gè)，能夠滿足家庭網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求，即便是智能小區(qū)、智能樓宇等只需要1個(gè)主機(jī)就能實(shí)現(xiàn)全面覆蓋;最后，ZigBee具備雙向通信的能力，不僅能發(fā)送命令到設(shè)備，同時(shí)設(shè)備也會(huì)把執(zhí)行狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)反饋回來(lái)。此外，ZigBee采用了極低功耗設(shè)計(jì)，可以全電池供電，理論上一節(jié)電池能使用2年以上。

二、ZigBee技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用

1.安全系統(tǒng)

一個(gè)安全系統(tǒng)可以包括多個(gè)傳感器，包括運(yùn)動(dòng)探測(cè)器，玻璃破碎傳感器和安全監(jiān)視器。這些設(shè)備需要通過(guò)有線或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與中心安全面板進(jìn)行通信，基于ZigBee的安全系統(tǒng)簡(jiǎn)化了安裝和更新的過(guò)程。盡管ZigBee的數(shù)據(jù)速率很低，但是它仍然可以無(wú)線傳輸圖像，傳輸質(zhì)量也可以接受。例如，Zig-Bee已經(jīng)被用于無(wú)線攝影機(jī)系統(tǒng)，用來(lái)在家庭門(mén)口記錄來(lái)訪者的錄像，并將這些錄像發(fā)送到室內(nèi)一個(gè)專(zhuān)用監(jiān)視器上。

2.抄表系統(tǒng)

電表需要定期讀取數(shù)據(jù)來(lái)獲取水電費(fèi)賬單，實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的的一個(gè)方法就是在戶主的住宅處手動(dòng)抄表，并將數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)中。基于ZigBee的自動(dòng)抄表系統(tǒng)（AMR）能在居民住宅間建立自形成的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，這些住宅的電表都連接到電表公司辦事處。AMR提供了遠(yuǎn)程監(jiān)控居民的用電，氣和水情況的機(jī)會(huì)，并且淘汰了人力每月定期上門(mén)抄表的方式。

AMR的作用不僅限于傳輸每月的水電使用數(shù)據(jù)，它可以收集更加詳細(xì)的使用信息，自動(dòng)檢測(cè)泄露和設(shè)備問(wèn)題，協(xié)助入侵檢測(cè)。基于 ZigBee的無(wú)線設(shè)備不僅執(zhí)行監(jiān)控任務(wù)，他們還可以通過(guò)和室內(nèi)的裝置通信來(lái)管理使用高峰期。例如，當(dāng)電量使用激增時(shí)，可以暫時(shí)關(guān)閉ZigBee電熱水器一段時(shí)間來(lái)減少高峰期用電量。

3.燈控系統(tǒng)

電燈控制是在室內(nèi)或商業(yè)建筑中使用ZigBee的一個(gè)典型例子。在傳統(tǒng)的電燈安裝中，為了實(shí)現(xiàn)打開(kāi)和關(guān)閉電燈，必須從電燈到開(kāi)關(guān)扯一根電線。例如，安裝一個(gè)新壁燈的時(shí)候，需要一條新的到開(kāi)關(guān)的電線。如果壁燈和開(kāi)關(guān)都配備了ZigBee設(shè)備的話，那么電燈和開(kāi)關(guān)之間將不再需要電線連接。這樣，室內(nèi)的任何開(kāi)關(guān)都可以被指派來(lái)打開(kāi)和關(guān)閉一盞特定的電燈。

舉個(gè)例子，電燈位于居民建筑的入口處，居住區(qū)和走廊。入口處的墻上開(kāi)關(guān)可以打開(kāi)和關(guān)閉4盞燈中的任何一盞，相比之下，居住區(qū)墻上的開(kāi)關(guān)僅與位于居住區(qū)的電燈進(jìn)行通信。支持ZigBee的壁燈要比常規(guī)的壁燈更貴，但是它的安裝費(fèi)用卻較低，因?yàn)樗恍枰~外的電線連接到墻上的開(kāi)關(guān)。使用無(wú)線來(lái)遙控電燈已經(jīng)不是一個(gè)新的概念，通過(guò)確保較長(zhǎng)的電池壽命和來(lái)自不同經(jīng)銷(xiāo)商的產(chǎn)品的互操作性，ZigBee提供了在可靠的，低成本的網(wǎng)絡(luò)中大范圍實(shí)現(xiàn)這個(gè)概念的機(jī)會(huì)。

除了潛在的成本節(jié)省外，在室內(nèi)，ZigBee電燈還有其他的好處。例如，嵌入到壁燈內(nèi)的ZigBee設(shè)備可以充當(dāng)路由器，在房間內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)信息，或者，壁燈可以被編程設(shè)計(jì)為當(dāng)電視打開(kāi)時(shí)變暗。ZigBee燈控機(jī)制同樣也已經(jīng)被用于路燈控制。

未來(lái)的智能家居將依照人體工程學(xué)原理，融合個(gè)性需求，將與家居生活有關(guān)的各個(gè)子系統(tǒng)如安防、燈光控制、窗簾控制、煤氣閥控制、信息家電、場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)、淋浴器等有機(jī)地結(jié)合在一起，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化綜合智能控制和管理，實(shí)現(xiàn)“以人為本”的全新家居生活體驗(yàn)并更加的人性化、實(shí)用、易用，真正的提高人們的生活品質(zhì)。