基于ZigBee技術的智能家居系統設計與應用研究

楊蒲菊

摘要：隨著網絡信息時代的快速發展和通信技術的不斷進步，越來越多的人向往智能化、信息化和網絡化的生活方式，實現智能控制家居行業引起人們的廣泛關注。該文主要介紹了ZigBee技術在智能家居中的優勢、對ZigBee技術協議進行了解讀，闡述了ZigBee技術性能優勢及ZigBee技術在智能家居系統的設計與應用研究。

關鍵詞：ZigBee技術；智能家居；系統設計與應用

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）09-0090-02

1 概述

隨著互聯網信息時代的不斷進步，人們對生活環境的要求也越來越高，智能家居已慢慢進入到普通百姓的家庭生活中。ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的低功耗LAN協議，它的多種性能優勢符合智能家居對通信系統的要求，ZigBee技術在智能家居系統設計中能夠充分考慮到智能家居系統的功能和應用領域，可將燈光照明、智能窗簾、視頻監控、音頻系統、家電設備等全部融合在一起，可以為人們提供居家的智能環境，使該技術進一步優化系統設計。ZigBee的通信協議也廣泛應用于電子產品和家用智能設備，它結合了系統中的各種單元以形成共享網絡，通信協議通過技術手段將家中隔離的家用電器相互連接，形成統一的自動控制智能系統，充分利用互聯網技術遠程控制和監控各類電器，方便電器的運行，體現智慧的體驗和感受，更好地實現智能控制。ZigBee技術不僅在智能家居行業得到廣泛應用，也在個人健康監護、工農商業、消費電子、pc機外圍設備等行業領域廣泛應用。如圖1所示。

2 ZigBee技術協議的解讀

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的LAN協議。根據國際標準，ZigBee技術具有緊密接近、低復雜性、自組織、低功耗和低數據速率的特點。是一種廉價，低功耗，短距離的無線網絡通信技術。在自動控制領域、遠程控制領域得到有效的使用，也可嵌入各種設備中使用。

ZigBee協議是從下到上的物理層（PHY），媒體訪問控制層（MAC），傳輸層（TL），網絡層（NWK），應用層（APL）等。物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準，如圖2所示。

3 ZigBee技術性能與優勢

ZigBee是一種無線連接，工作頻率為2.4 GHz（全球），868 MHz（歐洲流行）和915 MHz（美國流行），傳輸速率高達250 kbit / s，20 kbit / s和40 kbit / s。速率，其傳輸距離在10-75米的范圍內。ZigBee作為無線通信技術，它也具有如下優勢：

1）ZigBee的傳輸速率比較低，傳輸功率也僅有1mW；因采用睡眠模式的原理，消耗的功率也比較低，所以ZigBee設備非常省電。據證實，只使用兩節5號電池，ZigBee設備可以持續長達6個月到2年，這遠遠超出其他無線設備的范圍。

2）ZigBee模塊的成本比較低，其協議也是免版稅的。ZigBee模塊的初始成本約為6美元，隨著ZigBee技術市場的擴大，慢慢也將降至1.5-2.5美元。

3）具有短延遲優勢。在通信延遲、睡眠狀態上的延遲都非常短。在典型的搜索設備上，延遲30ms；在睡眠激活，延遲15ms；在有效設備信道訪問上，會延遲15ms。所以，ZigBee技術在具有時間關鍵無線控制上應用比較廣泛。

4）網絡容量非常巨大，在網絡組網方面，也非常靈活。星形ZigBee網絡結構可以容納1個主設備和254個從設備，并且一個網絡區域內可同時存在100個ZigBee網絡結構。

5）ZigBee技術具有很高的可靠性與安全性。為固定帶寬的通信業務預留專用時隙，在傳輸數據的時候會出現競爭和沖突，ZigBee技術通常會采用沖突避免策略應對。MAC層在數據完整傳輸的過程，要求接收器對傳輸的每個分組進行完整確認。如果在傳輸的過程中出現意外，可以選擇重新發送。ZigBee技術支持身份驗證和身份驗證，具有循環冗余校驗（CRC）數據包完整性檢查的功能，AES-128加密算法使每個應用程序具有靈活可靠的安全屬性。

在此基礎上，ZigBee技術與其他無線設備相比，也具有很多優勢。如圖3 所示。

4 基于ZigBee技術智能家居系統設計與應用

本系統設計主要基于ZigBee的網絡，通過使用移動APP終端，利用家居環境控制系統和數據傳輸網絡將家居環境情況組建成一個網絡，并在APP終端登錄網絡，實現對家居環境、家電設備控制的智能家居系統。

4.1照明控制系統

ZigBee技術用作基礎的照明控制，主要采用一對一，一對多控制。通過控制器也對一路燈光開關控制，另外一路燈光調光控制。通過使用被動紅外探測器，使得上述一路燈光進行開關控制，做到人來自動開燈，人走后延時自動關燈，或是人走時通過控制器按鍵關燈。用戶可以通過無線通信遠程控制燈光開關和強度，實現一鍵式場景控制制動效果，也確保用戶通過手機APP實現照明控制，充分利用智能產品帶來的便利。

4.2智能窗簾控制系統

室內的窗簾通過控制器進行打開或關閉，結合場景控制器對室內進行照明燈光的開關、調光控制，實現一鍵式場景的控制效果，并通過手機APP控制遙控燈和窗簾。當系統接收到發出的信號時，窗簾自然會做出相應的響應。如果提前設置窗簾開關時間，或根據燈光調節窗簾開關，可以使用戶在更舒適的環境中工作和生活。

4.3視頻監控系統

本系統設有旋轉監控，主要監控戶外、室內無死角的場景位置，并將監控到的視頻進行存儲、傳輸、播放、回放和拍攝。根據個人需求，用戶可以調取每個監控的實時視頻并進行播放。實時監控隨時可以知道家中發生的事情，當用戶想知道過去家中發生的事情時，只需使用手機APP點擊即可輕松查詢視頻或將其下載收集證據。

4.4音頻控制系統

在居家環境中，音樂能夠使用戶得到全面的放松和愉悅，不管是在客廳、餐廳還是房間用戶都能夠隨時隨地切換自己喜歡的背景音樂。可以提供外部可控聲源（如CD，DVD等）、觸摸屏播放的MP3文件、導軌式收音機模塊、一個或多個無須控制直接輸入信號的外部音頻源（例如MP3播放器，筆記本電腦）等以上4個的音頻源選擇，然后將背景音樂控制集成到場景控制中。背景音樂執行器控制音樂的切換、開關、音量調節以及收音機頻道調節，通過場景控制實現該設備背景音樂的場景調用，并通過手機APP實現后臺控制音樂。

4.5家電控制系統

不同的家用電器具有不同的控制指令，在同一家用電器中也具有多種功能，這些都可以通過家電控制系統來實現控制。本系統將通過在電腦、冰箱等家電設備中安裝智能的傳感器數據采集裝置，通過對ZigBee節點進行設置，并將這些信號進一步轉化為可傳輸的數字信號，并根據節點排列。通過ZigBee組網模塊設計專門網絡，設計移動客戶端，在客戶終端 APP 通過 4G 網絡登錄，便可以查看所傳輸的信號，實現了家用電器與遠程開關控制的聯動控制。因此，智能家居系統設計整體框架如圖4所示。

5 結束語

智能家居的快速發展離不開無線網絡通信技術的發展。在國內，人們對居家環境所追求的智能化、低成本、低功耗的智能家居環境，通過ZigBee技術可以實現和滿足。ZigBee技術的大容量網絡，自動靈活組網和修復，高可靠性和高安全性也是智能家居的最佳選擇。因此，ZigBee技術的發展將伴隨智能家居的發展不斷進步和完善，ZigBee技術與智能家居的融合，最終會將智能家居得到更廣泛的應用。

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【通聯編輯：謝媛媛】