王加梁

摘 要

信息時(shí)代背景下，科學(xué)技術(shù)逐漸成為人們工作、生活中不可缺少的一部分，在提高工作效率、方便人們生活等方面的優(yōu)勢越來越突出。隨著人們生活水平的提升，對(duì)家居生活提出了更多個(gè)性化要求。ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)，憑借著自身協(xié)調(diào)性、即時(shí)性等特點(diǎn)，成為智能家居系統(tǒng)建立的核心。本文從ZigBee技術(shù)概念及特點(diǎn)入手，立足于智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用需求對(duì)以ZigBee技術(shù)為核心的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，最后結(jié)合具體家居設(shè)備探討系統(tǒng)的應(yīng)用，以期為我國相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展提供技術(shù)支持。

【關(guān)鍵詞】ZigBee技術(shù) 智能家居系統(tǒng) 應(yīng)用與研究

隨著經(jīng)濟(jì)與技術(shù)飛速發(fā)展，傳統(tǒng)家居系統(tǒng)對(duì)于燈光、空調(diào)等設(shè)備狀態(tài)控制不夠直觀，用戶無法及時(shí)了解到自己家中的狀況，加之總線式布局過于繁瑣，系統(tǒng)整體存在的缺陷愈發(fā)明顯，使得人們難于控制家居設(shè)備?；诖耍覀兎e極探索其他技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用。其中ZigBee技術(shù)作為一項(xiàng)新型技術(shù)，更具靈活性特點(diǎn)，能夠取代總線式布局大量線路而通過無線傳輸對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，且配合通信技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，更具直觀性優(yōu)勢，使得系統(tǒng)能夠更加高效的運(yùn)行。

1 ZigBee技術(shù)概述

ZigBee技術(shù)主要是指一種新興的無線通信技術(shù)，最早源于蜜蜂之間相互傳遞劃分位置信息的八字舞，具有成本低、功耗低等特點(diǎn)。隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，家居設(shè)備層出不窮，需要更多的節(jié)點(diǎn)，加之組件僅限于家居室內(nèi)通信，對(duì)通信距離要求并不高。因此ZigBee技術(shù)組網(wǎng)更加便捷、且支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)量更多，符合日益增長的家電需求。

ZigBee技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用，其優(yōu)勢表現(xiàn)如下：

1.1 功耗較低

ZigBee技術(shù)通信速率較低，且引入了休眠機(jī)制，當(dāng)處于休眠待機(jī)狀態(tài)時(shí)，電流僅有100uA。在同等條件下，WiFi僅能夠工作幾小時(shí)，藍(lán)牙只能工作幾周，而ZigBee技術(shù)能夠工作半年至一年的時(shí)間，使用起來更加方便。

1.2 容量大

一個(gè)ZigBee子網(wǎng)能夠容納255個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，將子網(wǎng)連接到一起，最多能夠構(gòu)成64000個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，充分滿足當(dāng)前家居系統(tǒng)家電設(shè)備越來越多的需求。

1.3 成本低

ZigBee協(xié)議較為簡單，對(duì)通信控制器要求并不高，使得控制芯片的造價(jià)更低。ZigBee通信模塊成本在10～20元之間，能夠被更多家庭接受，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢更加突出，為其廣泛推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。

2 基于ZigBee技術(shù)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

基于傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)存在的滯后性，本文對(duì)提出的建立在ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)上的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求做出了相應(yīng)的調(diào)整。詳細(xì)來說，

2.1.1 數(shù)據(jù)傳輸精確度

系統(tǒng)運(yùn)行將所有家電整合到一起，在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中互相協(xié)作。控制器需要根據(jù)不同的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和控制。因此我們首先要做到的就是確保數(shù)據(jù)傳輸精確度。

2.1.2 自我恢復(fù)性

家電設(shè)備長時(shí)間使用極有可能受到網(wǎng)絡(luò)故障的影響，出現(xiàn)網(wǎng)樸結(jié)構(gòu)混亂問題，因此構(gòu)建一個(gè)智能化網(wǎng)絡(luò)非常必要，當(dāng)遇到故障時(shí)，能夠自動(dòng)恢復(fù)到正常狀態(tài)當(dāng)中。

2.1.3 可拓展性

隨著技術(shù)不斷發(fā)展，人們需求也會(huì)發(fā)生變化。因此要賦予系統(tǒng)可拓展性，滿足家庭設(shè)備不斷增長的需求。

2.2 系統(tǒng)功能

本文提出的ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)主要由三個(gè)部分構(gòu)成。首先智能傳感器作為系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，能夠廣泛收集到不同傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送出來的信號(hào)。其次，傳感器匯集設(shè)備能夠?qū)Σ煌膫鞲衅鬟M(jìn)行控制，具有承上啟下功能。最后，數(shù)據(jù)中心主要負(fù)責(zé)處理用戶控制事件。當(dāng)用戶發(fā)出控制指令時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)收到信息并對(duì)信息進(jìn)行處理，進(jìn)而傳送給制定的設(shè)備做出控制反應(yīng)。

2.3 模塊劃分

2.3.1 傳感器結(jié)構(gòu)

該結(jié)構(gòu)主要包含flash存儲(chǔ)、濾波及對(duì)信息的預(yù)處理模塊。

2.3.2 A板結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，當(dāng)信息傳遞時(shí)，傳感器能夠通過控制口進(jìn)行信息傳遞和交換。微處理器需要傳送不同的數(shù)據(jù)給ZigBee通信模塊。該結(jié)構(gòu)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)打包、分解，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，尤其是火警、防盜等信息的判斷。如果ZigBee無法接收信息，會(huì)將信息存儲(chǔ)到flash系統(tǒng)當(dāng)中。

2.3.3 B板結(jié)構(gòu)

B板有線網(wǎng)口，GPRS、ZigBee及微處理器能夠同時(shí)使用同一個(gè)接口，且不會(huì)互相影響。在使用中，該結(jié)構(gòu)主要負(fù)責(zé)鍵盤輸入、時(shí)間同步及定位等。模塊劃分，系統(tǒng)功能框架圖如下圖1所示。

2.4 硬件實(shí)現(xiàn)

（1）處理器作為系統(tǒng)運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，其質(zhì)量好壞直接影響系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量?；诖?，本文從多方面考慮，選擇了單片機(jī)PIC18LF4620，該設(shè)備性能較好，且引入了先進(jìn)的框架結(jié)構(gòu)，較傳統(tǒng)設(shè)備更具優(yōu)勢，如運(yùn)行成本更低、存儲(chǔ)量更大，在智能家居系統(tǒng)中應(yīng)用，能夠?yàn)閿?shù)據(jù)傳遞創(chuàng)建良好的平臺(tái)。

（2）對(duì)于無線芯片的選擇，筆者經(jīng)過比較，最后選擇了CC2420頻射芯片，該芯片運(yùn)行速度快，且具備多對(duì)多傳送功能。

（3）針對(duì)主控制模塊的設(shè)計(jì)，當(dāng)ZigBee主控制模塊收到從控制模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)信息后，單片機(jī)將會(huì)進(jìn)入到低電平狀態(tài)中，直至信息接收完整。然后主控制模塊與單片機(jī)轉(zhuǎn)變到反射模式，提供反饋信息。最后通過顯示屏內(nèi)容幫助使用者了解自己家中的情況。

2.5 軟件實(shí)現(xiàn)

2.5.1 應(yīng)用層

Web服務(wù)頁面、數(shù)據(jù)文件及接口程序共同構(gòu)成了智能家居系統(tǒng)的核心。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，用戶登錄到相關(guān)界面上發(fā)出相應(yīng)的指令，信息會(huì)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器上，而服務(wù)器將會(huì)對(duì)信息進(jìn)行整理、分析等，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫文件當(dāng)中，最后發(fā)出對(duì)家電設(shè)備的控制，使得家電處于關(guān)閉或者開啟等狀態(tài)，完成整個(gè)操控過程。

2.5.2 應(yīng)用層

利用ZigBee模塊對(duì)中斷器、寄存器等設(shè)備進(jìn)行指令發(fā)送等。主控制器接收到用戶傳輸?shù)男畔?，?huì)通過無線模塊傳遞給控制模塊，以此來對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行控制。

2.5.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的管理員，在整個(gè)系統(tǒng)中占據(jù)非常重要的位置，能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建立、分配地址等操作。因此，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，我們需要安裝一個(gè)協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)的主要節(jié)點(diǎn)，以此來提升整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行有效性。

2.5.4 終端節(jié)點(diǎn)

終端節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中最為簡單的環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，能夠接收到來自主節(jié)點(diǎn)的信息。由于其不需要與鄰近節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)，并兼具路由功能，故能夠賦予系統(tǒng)更強(qiáng)的性能。同時(shí)當(dāng)系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時(shí)，其每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)處于低功耗狀態(tài)，能夠節(jié)省大量電能，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本。

綜上：基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其融合了多元技術(shù)，形成了更具人性化、直觀化特點(diǎn)的家居系統(tǒng)，為人們生活的更加便利奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

3 基于ZigBee技術(shù)智能家居系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

為了提高文章研究的實(shí)用性，筆者將結(jié)合具體的家電進(jìn)行研究。包含：

3.1 燈光控制

將ZigBee技術(shù)作為基礎(chǔ)的燈光控制，在實(shí)踐中，主要采取的是一對(duì)一、一對(duì)多的控制。在此基礎(chǔ)上，能夠確保使用者通過軟件實(shí)現(xiàn)燈光控制，減少對(duì)電力資源的浪費(fèi)以及提升用戶使用的便捷性。

系統(tǒng)運(yùn)行中，用戶通過遠(yuǎn)端遙控，將指令傳遞給ZigBee系統(tǒng)中的B板，當(dāng)數(shù)據(jù)1位出現(xiàn)001時(shí)，那么對(duì)應(yīng)的燈將會(huì)處于照明狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)2位顯示1時(shí)，對(duì)應(yīng)的燈也會(huì)開，而當(dāng)數(shù)據(jù)顯示為0時(shí)，燈光將會(huì)處于關(guān)閉狀態(tài)。通過此，用戶能夠借助無線通訊遠(yuǎn)端操控?zé)艄忾_關(guān)與強(qiáng)弱，從而為人們生活提供更多便捷，且能夠在很大程度上減少對(duì)電能的浪費(fèi)。

3.2 智能窗簾控制

對(duì)于窗簾的控制，就是對(duì)各類帶有電動(dòng)馬達(dá)設(shè)備的控制，能夠進(jìn)行開關(guān)及停的操控，如卷簾門、電動(dòng)門等。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，用戶按下“open”、“close”鍵時(shí)，窗簾就會(huì)自動(dòng)拉看或者關(guān)閉，當(dāng)達(dá)到相應(yīng)的位置后也會(huì)自動(dòng)停止，完成整個(gè)操作目標(biāo)。如果用戶不需要完全打開或者關(guān)閉，可以按下“stop”，窗簾會(huì)在指定位置停下。

實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵在于系統(tǒng)內(nèi)部擁有的單片機(jī)，能夠積極響應(yīng)各個(gè)用戶發(fā)出來的信號(hào)，其中包括ZigBee指令信號(hào)的傳送、控制等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能窗簾的有效控制。當(dāng)系統(tǒng)接收到發(fā)射出來的信號(hào)后，自然會(huì)做出對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。如提前設(shè)置好窗簾開關(guān)時(shí)間，或者根據(jù)光線調(diào)整窗簾的開關(guān)等，使得人們能夠在更加舒適的環(huán)境中工作和生活。

3.3 其他智能電器控制

除了傳統(tǒng)的感應(yīng)、無線射頻控制，萬能遙控學(xué)習(xí)成為ZigBee技術(shù)支持下智能家居系統(tǒng)的一大特色。通常來說，不同家電都具有不同的操控指令，而同一家電中還具備多個(gè)功能。而這些都能夠通過家居系統(tǒng)完成控制目標(biāo)。該功能實(shí)現(xiàn)各種家電聯(lián)動(dòng)與遠(yuǎn)程開關(guān)控制，用戶僅通過短信、電話，便能夠進(jìn)入家門之前將家電打開。從系統(tǒng)內(nèi)部來看，當(dāng)用戶發(fā)出指令后，ZigBee會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、接收，系統(tǒng)通過之前設(shè)置好的代碼創(chuàng)建文件，讀取指令后，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電器的操作。

針對(duì)不同電器的控制，當(dāng)用戶發(fā)出指令后，B板會(huì)發(fā)揮自身承上啟下功能，B板通過ZigBee接收，按照具體的協(xié)議進(jìn)行分類，并對(duì)電器進(jìn)行判斷，如當(dāng)B板接收到的數(shù)據(jù)為1，1，0，0時(shí)，主要是開啟某項(xiàng)功能。

4 結(jié)論

根據(jù)上文所述，自人類社會(huì)正式進(jìn)入到數(shù)字化時(shí)代，電子、計(jì)算機(jī)等技術(shù)在人們生活中得到了廣泛普及。隨著人們生活家居家電設(shè)備的增加，將其與無線通信技術(shù)、電線技術(shù)等整合到一起，通過智能化管理從而實(shí)現(xiàn)家居生活智能化的目標(biāo)。本文立足于ZigBee技術(shù)優(yōu)勢，提出了一種新型智能家居系統(tǒng)，不僅對(duì)傳統(tǒng)家居系統(tǒng)存在的缺陷進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化，且賦予系統(tǒng)更多新功能，在很大程度上提高了人們的生活質(zhì)量。由于智能家居與人們生活存在非常密切的聯(lián)系，未來還會(huì)對(duì)智能酒店、客房控制、城市能源、城市交通等方面產(chǎn)生巨大的影響力。因此隨著技術(shù)不斷發(fā)展，我們還需要加大研究力度，加快智能家居系統(tǒng)朝著網(wǎng)絡(luò)化、信息化方向發(fā)展，從而促使人們生活更加美好。

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