楊蒲菊

摘要：隨著網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代的快速發(fā)展和通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，越來越多的人向往智能化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化的生活方式，實(shí)現(xiàn)智能控制家居行業(yè)引起人們的廣泛關(guān)注。該文主要介紹了ZigBee技術(shù)在智能家居中的優(yōu)勢、對ZigBee技術(shù)協(xié)議進(jìn)行了解讀，闡述了ZigBee技術(shù)性能優(yōu)勢及ZigBee技術(shù)在智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究。

關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；智能家居；系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）09-0090-02

1 概述

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息時(shí)代的不斷進(jìn)步，人們對生活環(huán)境的要求也越來越高，智能家居已慢慢進(jìn)入到普通百姓的家庭生活中。ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗LAN協(xié)議，它的多種性能優(yōu)勢符合智能家居對通信系統(tǒng)的要求，ZigBee技術(shù)在智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中能夠充分考慮到智能家居系統(tǒng)的功能和應(yīng)用領(lǐng)域，可將燈光照明、智能窗簾、視頻監(jiān)控、音頻系統(tǒng)、家電設(shè)備等全部融合在一起，可以為人們提供居家的智能環(huán)境，使該技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。ZigBee的通信協(xié)議也廣泛應(yīng)用于電子產(chǎn)品和家用智能設(shè)備，它結(jié)合了系統(tǒng)中的各種單元以形成共享網(wǎng)絡(luò)，通信協(xié)議通過技術(shù)手段將家中隔離的家用電器相互連接，形成統(tǒng)一的自動控制智能系統(tǒng)，充分利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控各類電器，方便電器的運(yùn)行，體現(xiàn)智慧的體驗(yàn)和感受，更好地實(shí)現(xiàn)智能控制。ZigBee技術(shù)不僅在智能家居行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，也在個(gè)人健康監(jiān)護(hù)、工農(nóng)商業(yè)、消費(fèi)電子、pc機(jī)外圍設(shè)備等行業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。如圖1所示。

2 ZigBee技術(shù)協(xié)議的解讀

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的LAN協(xié)議。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee技術(shù)具有緊密接近、低復(fù)雜性、自組織、低功耗和低數(shù)據(jù)速率的特點(diǎn)。是一種廉價(jià)，低功耗，短距離的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。在自動控制領(lǐng)域、遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域得到有效的使用，也可嵌入各種設(shè)備中使用。

ZigBee協(xié)議是從下到上的物理層（PHY），媒體訪問控制層（MAC），傳輸層（TL），網(wǎng)絡(luò)層（NWK），應(yīng)用層（APL）等。物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示。

3 ZigBee技術(shù)性能與優(yōu)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(dá)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(nèi)。ZigBee作為無線通信技術(shù)，它也具有如下優(yōu)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(shè)備非常省電。據(jù)證實(shí)，只使用兩節(jié)5號電池，ZigBee設(shè)備可以持續(xù)長達(dá)6個(gè)月到2年，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他無線設(shè)備的范圍。

2）ZigBee模塊的成本比較低，其協(xié)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(shù)市場的擴(kuò)大，慢慢也將降至1.5-2.5美元。

3）具有短延遲優(yōu)勢。在通信延遲、睡眠狀態(tài)上的延遲都非常短。在典型的搜索設(shè)備上，延遲30ms；在睡眠激活，延遲15ms；在有效設(shè)備信道訪問上，會延遲15ms。所以，ZigBee技術(shù)在具有時(shí)間關(guān)鍵無線控制上應(yīng)用比較廣泛。

4）網(wǎng)絡(luò)容量非常巨大，在網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方面，也非常靈活。星形ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以容納1個(gè)主設(shè)備和254個(gè)從設(shè)備，并且一個(gè)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)可同時(shí)存在100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

5）ZigBee技術(shù)具有很高的可靠性與安全性。為固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留專用時(shí)隙，在傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候會出現(xiàn)競爭和沖突，ZigBee技術(shù)通常會采用沖突避免策略應(yīng)對。MAC層在數(shù)據(jù)完整傳輸?shù)倪^程，要求接收器對傳輸?shù)拿總€(gè)分組進(jìn)行完整確認(rèn)。如果在傳輸?shù)倪^程中出現(xiàn)意外，可以選擇重新發(fā)送。ZigBee技術(shù)支持身份驗(yàn)證和身份驗(yàn)證，具有循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）數(shù)據(jù)包完整性檢查的功能，AES-128加密算法使每個(gè)應(yīng)用程序具有靈活可靠的安全屬性。

在此基礎(chǔ)上，ZigBee技術(shù)與其他無線設(shè)備相比，也具有很多優(yōu)勢。如圖3 所示。

4 基于ZigBee技術(shù)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)，通過使用移動APP終端，利用家居環(huán)境控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)將家居環(huán)境情況組建成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，并在APP終端登錄網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境、家電設(shè)備控制的智能家居系統(tǒng)。

4.1照明控制系統(tǒng)

ZigBee技術(shù)用作基礎(chǔ)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(guān)控制，另外一路燈光調(diào)光控制。通過使用被動紅外探測器，使得上述一路燈光進(jìn)行開關(guān)控制，做到人來自動開燈，人走后延時(shí)自動關(guān)燈，或是人走時(shí)通過控制器按鍵關(guān)燈。用戶可以通過無線通信遠(yuǎn)程控制燈光開關(guān)和強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)一鍵式場景控制制動效果，也確保用戶通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)照明控制，充分利用智能產(chǎn)品帶來的便利。

4.2智能窗簾控制系統(tǒng)

室內(nèi)的窗簾通過控制器進(jìn)行打開或關(guān)閉，結(jié)合場景控制器對室內(nèi)進(jìn)行照明燈光的開關(guān)、調(diào)光控制，實(shí)現(xiàn)一鍵式場景的控制效果，并通過手機(jī)APP控制遙控?zé)艉痛昂?。?dāng)系統(tǒng)接收到發(fā)出的信號時(shí)，窗簾自然會做出相應(yīng)的響應(yīng)。如果提前設(shè)置窗簾開關(guān)時(shí)間，或根據(jù)燈光調(diào)節(jié)窗簾開關(guān)，可以使用戶在更舒適的環(huán)境中工作和生活。

4.3視頻監(jiān)控系統(tǒng)

本系統(tǒng)設(shè)有旋轉(zhuǎn)監(jiān)控，主要監(jiān)控戶外、室內(nèi)無死角的場景位置，并將監(jiān)控到的視頻進(jìn)行存儲、傳輸、播放、回放和拍攝。根據(jù)個(gè)人需求，用戶可以調(diào)取每個(gè)監(jiān)控的實(shí)時(shí)視頻并進(jìn)行播放。實(shí)時(shí)監(jiān)控隨時(shí)可以知道家中發(fā)生的事情，當(dāng)用戶想知道過去家中發(fā)生的事情時(shí)，只需使用手機(jī)APP點(diǎn)擊即可輕松查詢視頻或?qū)⑵湎螺d收集證據(jù)。

4.4音頻控制系統(tǒng)

在居家環(huán)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(shí)隨地切換自己喜歡的背景音樂?？梢蕴峁┩獠靠煽芈曉矗ㄈ鏑D，DVD等）、觸摸屏播放的MP3文件、導(dǎo)軌式收音機(jī)模塊、一個(gè)或多個(gè)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(gè)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(zhí)行器控制音樂的切換、開關(guān)、音量調(diào)節(jié)以及收音機(jī)頻道調(diào)節(jié)，通過場景控制實(shí)現(xiàn)該設(shè)備背景音樂的場景調(diào)用，并通過手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)后臺控制音樂。

4.5家電控制系統(tǒng)

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(tǒng)來實(shí)現(xiàn)控制。本系統(tǒng)將通過在電腦、冰箱等家電設(shè)備中安裝智能的傳感器數(shù)據(jù)采集裝置，通過對ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，并將這些信號進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為可傳輸?shù)臄?shù)字信號，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)排列。通過ZigBee組網(wǎng)模塊設(shè)計(jì)專門網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)移動客戶端，在客戶終端 APP 通過 4G 網(wǎng)絡(luò)登錄，便可以查看所傳輸?shù)男盘?，?shí)現(xiàn)了家用電器與遠(yuǎn)程開關(guān)控制的聯(lián)動控制。因此，智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體框架如圖4所示。

5 結(jié)束語

智能家居的快速發(fā)展離不開無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展。在國內(nèi)，人們對居家環(huán)境所追求的智能化、低成本、低功耗的智能家居環(huán)境，通過ZigBee技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)和滿足。ZigBee技術(shù)的大容量網(wǎng)絡(luò)，自動靈活組網(wǎng)和修復(fù)，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(shù)的發(fā)展將伴隨智能家居的發(fā)展不斷進(jìn)步和完善，ZigBee技術(shù)與智能家居的融合，最終會將智能家居得到更廣泛的應(yīng)用。

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