基于ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)的設計與應用

王加梁

摘 要

信息時代背景下，科學技術逐漸成為人們工作、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，對家居生活提出了更多個性化要求。ZigBee技術的出現(xiàn)，憑借著自身協(xié)調性、即時性等特點，成為智能家居系統(tǒng)建立的核心。本文從ZigBee技術概念及特點入手，立足于智能家居系統(tǒng)設計及應用需求對以ZigBee技術為核心的智能家居系統(tǒng)設計進行設計和分析，最后結合具體家居設備探討系統(tǒng)的應用，以期為我國相關領域發(fā)展提供技術支持。

【關鍵詞】ZigBee技術 智能家居系統(tǒng) 應用與研究

隨著經濟與技術飛速發(fā)展，傳統(tǒng)家居系統(tǒng)對于燈光、空調等設備狀態(tài)控制不夠直觀，用戶無法及時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備。基于此，我們積極探索其他技術在智能家居系統(tǒng)中的應用。其中ZigBee技術作為一項新型技術，更具靈活性特點，能夠取代總線式布局大量線路而通過無線傳輸對設備進行控制，且配合通信技術，能夠實現(xiàn)遠程遙控，更具直觀性優(yōu)勢，使得系統(tǒng)能夠更加高效的運行。

1 ZigBee技術概述

ZigBee技術主要是指一種新興的無線通信技術，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。隨著經濟快速發(fā)展，家居設備層出不窮，需要更多的節(jié)點，加之組件僅限于家居室內通信，對通信距離要求并不高。因此ZigBee技術組網更加便捷、且支持的節(jié)點數(shù)量更多，符合日益增長的家電需求。

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

1.1 功耗較低

ZigBee技術通信速率較低，且引入了休眠機制，當處于休眠待機狀態(tài)時，電流僅有100uA。在同等條件下，WiFi僅能夠工作幾小時，藍牙只能工作幾周，而ZigBee技術能夠工作半年至一年的時間，使用起來更加方便。

1.2 容量大

一個ZigBee子網能夠容納255個網絡節(jié)點，將子網連接到一起，最多能夠構成64000個網絡節(jié)點，充分滿足當前家居系統(tǒng)家電設備越來越多的需求。

1.3 成本低

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

2 基于ZigBee技術智能家居系統(tǒng)設計

2.1 設計要求

基于傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)存在的滯后性，本文對提出的建立在ZigBee技術基礎上的智能家居系統(tǒng)設計要求做出了相應的調整。詳細來說，

2.1.1 數(shù)據傳輸精確度

系統(tǒng)運行將所有家電整合到一起，在同一個網絡當中互相協(xié)作?？刂破餍枰鶕煌膮?shù)進行調整和控制。因此我們首先要做到的就是確保數(shù)據傳輸精確度。

2.1.2 自我恢復性

家電設備長時間使用極有可能受到網絡故障的影響，出現(xiàn)網樸結構混亂問題，因此構建一個智能化網絡非常必要，當遇到故障時，能夠自動恢復到正常狀態(tài)當中。

2.1.3 可拓展性

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

2.2 系統(tǒng)功能

本文提出的ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)主要由三個部分構成。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)點發(fā)送出來的信號。其次，傳感器匯集設備能夠對不同的傳感器進行控制，具有承上啟下功能。最后，數(shù)據中心主要負責處理用戶控制事件。當用戶發(fā)出控制指令時，系統(tǒng)能及時收到信息并對信息進行處理，進而傳送給制定的設備做出控制反應。

2.3 模塊劃分

2.3.1 傳感器結構

該結構主要包含flash存儲、濾波及對信息的預處理模塊。

2.3.2 A板結構

系統(tǒng)在運行過程中，當信息傳遞時，傳感器能夠通過控制口進行信息傳遞和交換。微處理器需要傳送不同的數(shù)據給ZigBee通信模塊。該結構主要負責數(shù)據打包、分解，并對數(shù)據進行分析，尤其是火警、防盜等信息的判斷。如果ZigBee無法接收信息，會將信息存儲到flash系統(tǒng)當中。

2.3.3 B板結構

B板有線網口，GPRS、ZigBee及微處理器能夠同時使用同一個接口，且不會互相影響。在使用中，該結構主要負責鍵盤輸入、時間同步及定位等。模塊劃分，系統(tǒng)功能框架圖如下圖1所示。

2.4 硬件實現(xiàn)

（1）處理器作為系統(tǒng)運行的重要基礎，其質量好壞直接影響系統(tǒng)運行質量?；诖耍疚膹亩喾矫婵紤]，選擇了單片機PIC18LF4620，該設備性能較好，且引入了先進的框架結構，較傳統(tǒng)設備更具優(yōu)勢，如運行成本更低、存儲量更大，在智能家居系統(tǒng)中應用，能夠為數(shù)據傳遞創(chuàng)建良好的平臺。

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

（3）針對主控制模塊的設計，當ZigBee主控制模塊收到從控制模塊發(fā)來的數(shù)據信息后，單片機將會進入到低電平狀態(tài)中，直至信息接收完整。然后主控制模塊與單片機轉變到反射模式，提供反饋信息。最后通過顯示屏內容幫助使用者了解自己家中的情況。

2.5 軟件實現(xiàn)

2.5.1 應用層

Web服務頁面、數(shù)據文件及接口程序共同構成了智能家居系統(tǒng)的核心。當系統(tǒng)運行時，用戶登錄到相關界面上發(fā)出相應的指令，信息會通過ZigBee網絡傳輸?shù)椒掌魃?，而服務器將會對信息進行整理、分析等，存儲到數(shù)據庫文件當中，最后發(fā)出對家電設備的控制，使得家電處于關閉或者開啟等狀態(tài)，完成整個操控過程。

2.5.2 應用層

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

2.5.3 協(xié)調器節(jié)點設計

協(xié)調器節(jié)點作為整個ZigBee無線網絡的管理員，在整個系統(tǒng)中占據非常重要的位置，能夠進行網絡建立、分配地址等操作。因此，在ZigBee網絡中，我們需要安裝一個協(xié)調器作為網絡的主要節(jié)點，以此來提升整個系統(tǒng)運行有效性。

2.5.4 終端節(jié)點

終端節(jié)點是整個網絡結構中最為簡單的環(huán)節(jié)。在系統(tǒng)運行過程中，能夠接收到來自主節(jié)點的信息。由于其不需要與鄰近節(jié)點協(xié)調，并兼具路由功能，故能夠賦予系統(tǒng)更強的性能。同時當系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)時，其每個終端節(jié)點處于低功耗狀態(tài)，能夠節(jié)省大量電能，降低系統(tǒng)運行成本。

綜上：基于ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)設計，其融合了多元技術，形成了更具人性化、直觀化特點的家居系統(tǒng)，為人們生活的更加便利奠定了堅實的技術基礎。

3 基于ZigBee技術智能家居系統(tǒng)的實現(xiàn)與應用

為了提高文章研究的實用性，筆者將結合具體的家電進行研究。包含：

3.1 燈光控制

將ZigBee技術作為基礎的燈光控制，在實踐中，主要采取的是一對一、一對多的控制。在此基礎上，能夠確保使用者通過軟件實現(xiàn)燈光控制，減少對電力資源的浪費以及提升用戶使用的便捷性。

系統(tǒng)運行中，用戶通過遠端遙控，將指令傳遞給ZigBee系統(tǒng)中的B板，當數(shù)據1位出現(xiàn)001時，那么對應的燈將會處于照明狀態(tài)。當數(shù)據2位顯示1時，對應的燈也會開，而當數(shù)據顯示為0時，燈光將會處于關閉狀態(tài)。通過此，用戶能夠借助無線通訊遠端操控燈光開關與強弱，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電能的浪費。

3.2 智能窗簾控制

對于窗簾的控制，就是對各類帶有電動馬達設備的控制，能夠進行開關及停的操控，如卷簾門、電動門等。當系統(tǒng)運行時，用戶按下“open”、“close”鍵時，窗簾就會自動拉看或者關閉，當達到相應的位置后也會自動停止，完成整個操作目標。如果用戶不需要完全打開或者關閉，可以按下“stop”，窗簾會在指定位置停下。

實現(xiàn)上述目標的關鍵在于系統(tǒng)內部擁有的單片機，能夠積極響應各個用戶發(fā)出來的信號，其中包括ZigBee指令信號的傳送、控制等，從而實現(xiàn)對智能窗簾的有效控制。當系統(tǒng)接收到發(fā)射出來的信號后，自然會做出對應的動作。如提前設置好窗簾開關時間，或者根據光線調整窗簾的開關等，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、無線射頻控制，萬能遙控學習成為ZigBee技術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功能。而這些都能夠通過家居系統(tǒng)完成控制目標。該功能實現(xiàn)各種家電聯(lián)動與遠程開關控制，用戶僅通過短信、電話，便能夠進入家門之前將家電打開。從系統(tǒng)內部來看，當用戶發(fā)出指令后，ZigBee會進行數(shù)據傳輸、接收，系統(tǒng)通過之前設置好的代碼創(chuàng)建文件，讀取指令后，從而實現(xiàn)對電器的操作。

針對不同電器的控制，當用戶發(fā)出指令后，B板會發(fā)揮自身承上啟下功能，B板通過ZigBee接收，按照具體的協(xié)議進行分類，并對電器進行判斷，如當B板接收到的數(shù)據為1，1，0，0時，主要是開啟某項功能。

4 結論

根據上文所述，自人類社會正式進入到數(shù)字化時代，電子、計算機等技術在人們生活中得到了廣泛普及。隨著人們生活家居家電設備的增加，將其與無線通信技術、電線技術等整合到一起，通過智能化管理從而實現(xiàn)家居生活智能化的目標。本文立足于ZigBee技術優(yōu)勢，提出了一種新型智能家居系統(tǒng)，不僅對傳統(tǒng)家居系統(tǒng)存在的缺陷進行了調整和優(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，未來還會對智能酒店、客房控制、城市能源、城市交通等方面產生巨大的影響力。因此隨著技術不斷發(fā)展，我們還需要加大研究力度，加快智能家居系統(tǒng)朝著網絡化、信息化方向發(fā)展，從而促使人們生活更加美好。

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