朱紅　劉承憲　王琦

摘要：隨著生活水平的不斷提高，人們對(duì)住宅的功能要求越來越高，希望家居能植入智能化程序，實(shí)現(xiàn)物與物和物與人的交流，并且能隨時(shí)隨地了解家居狀況和控制家居；越來越追求生活細(xì)節(jié)上的簡單化與智能化，享受更加輕松、有序、高效的生活。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)為其奠定了良好的技術(shù)基礎(chǔ)，給智能家居帶來了春天。針對(duì)基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，分析了ZigBee體系結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，介紹了ZigBee技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用前景，并設(shè)計(jì)出基于Zigbee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：ZigBee，無線網(wǎng)絡(luò)，智能家居

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1001-9138-（2015）09-0063-67 收稿日期：2015-09-01

1 引言

智能家居是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)，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、煤氣閥控制、信息家電、場景聯(lián)動(dòng)、地板采暖等有機(jī)地結(jié)合在一起，通過網(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)。其系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量要求很低，同時(shí)具備低功耗、低成本等特點(diǎn)，而基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議ZigBee技術(shù)正具備了以上特點(diǎn)，因此其在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛起來，其可實(shí)現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)家庭的延伸拓展，并使家庭組網(wǎng)更加便捷。

2 ZigBee技術(shù)介紹

IEEE 802.15.4協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，ZigBee正是其代名詞。該協(xié)議主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可嵌入各種設(shè)備中。ZigBee技術(shù)有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢：第一，成本低。免協(xié)議專利費(fèi)，而且每塊芯片的價(jià)格大約為2美元左右。第二，低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)五號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作半年至兩年時(shí)間甚至更長。第三，速率低。其工作在20-250kbps的較低速率，在不同頻帶間分別提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。第四，近距離。其傳輸范圍一般介于10-100m之間，在增加射頻（RF）發(fā)射功率后，亦可增加到1-3km。第五，延時(shí)短。其響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms。第六，容量高。該技術(shù)可采用星狀、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。第七，高安全。其提供了三級(jí)安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單（ACL）防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES 128）的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

基于上述特點(diǎn)可看出，ZigBee主要應(yīng)用在短距離范圍之內(nèi)并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，其典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)（如傳感器數(shù)據(jù)）、間歇性數(shù)據(jù)（如照明控制）和重復(fù)性低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)等。因此，ZigBee技術(shù)十分適合應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)之中。

3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

ZigBee采用的是自組網(wǎng)通信方式，該架構(gòu)被稱為無基礎(chǔ)構(gòu)架的無線局域網(wǎng)（Ad Hoe Wireless LAN），這種架構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的設(shè)備數(shù)量不加限制，并可隨時(shí)建起無線通信鏈路。例如，協(xié)調(diào)器一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，新添加的RFD（半功能設(shè)備）會(huì)被網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)，這時(shí)，F(xiàn)FD（全功能設(shè)備）會(huì)把RFD的信息傳送給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器進(jìn)行編址，并計(jì)算其路由信息，更新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表和設(shè)備關(guān)聯(lián)表等。若新添加到網(wǎng)絡(luò)的是FFD，則可直接把自身信息上報(bào)協(xié)調(diào)器，并對(duì)周圍的RFD設(shè)備進(jìn)行輪詢，記錄它們的地址信息，通知協(xié)調(diào)器更新路由，此時(shí)新加入的FFD起到了一個(gè)橋梁的作用，RFD通過FFD和協(xié)調(diào)器進(jìn)行間接通訊。這種分層結(jié)構(gòu)，便于管理，增加了網(wǎng)絡(luò)的透明度，有利于發(fā)現(xiàn)并自動(dòng)添加新入網(wǎng)設(shè)備。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，所有設(shè)備均有一個(gè)64Bit的IEEE地址，可以分配一個(gè)16Bit的本地地址減小數(shù)據(jù)包的大小。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)常見的有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即樹型拓?fù)洹⑿切屯負(fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)洌ㄒ妶D1），其中網(wǎng)狀網(wǎng)通信應(yīng)用較為普遍也十分實(shí)用，網(wǎng)狀網(wǎng)通信實(shí)際上就是多通道通信。在應(yīng)用現(xiàn)場，由于各種原因，往往并不能保證每一個(gè)無線通道都能夠始終暢通，就像城市的街道一樣，可能因?yàn)檐嚨湣⒌缆肪S修等，使得某條道路的交通出現(xiàn)暫時(shí)中斷，此時(shí)由于有多個(gè)通道，車輛（相當(dāng)于控制數(shù)據(jù)）仍然可以通過其他道路到達(dá)目的地，這一點(diǎn)對(duì)工業(yè)現(xiàn)場控制而言非常重要。而在ZigBee技術(shù)中則采用了動(dòng)態(tài)路由的方式。所謂動(dòng)態(tài)路由，是指網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂讲⒉皇穷A(yù)先設(shè)定的，而是傳輸數(shù)據(jù)前，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)時(shí)可利用的所有路徑進(jìn)行搜索，分析它們的位置關(guān)系以及遠(yuǎn)近，然后選擇其中一條路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在網(wǎng)絡(luò)管理軟件中，路徑選擇使用的是“梯度法”，即先選擇路徑最近的一條通道進(jìn)行傳輸，如傳不通，再使用另外一條稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的通道進(jìn)行傳輸，以此類推直到數(shù)據(jù)送達(dá)目的地為止。在實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場，預(yù)先確定的傳輸路徑隨時(shí)都可能發(fā)生變化，或者因各種原因路徑被中斷了，或者過于繁忙不能進(jìn)行及時(shí)傳送。動(dòng)態(tài)路由結(jié)合網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以很好地解決這個(gè)問題從而保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

4 ZigBee智能家居系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

ZigBee技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景，在家居自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)中可通過各種探頭、傳感器實(shí)現(xiàn)煤氣泄漏、紅外線防盜、煙霧及緊急求助報(bào)警等功能，報(bào)警信號(hào)可自動(dòng)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳往控制中心或用戶終端，并啟動(dòng)相關(guān)聯(lián)動(dòng)裝置。在燈光和家用電氣控制系統(tǒng)中也可應(yīng)用ZigBee技術(shù)，通過無線方式將燈光和家用電器連接起來，只需使用一個(gè)遙控器在規(guī)定范圍內(nèi)就可以操控各種家用電器，而且遙控模塊可嵌套在便攜電子設(shè)備中，用戶只需在設(shè)備上設(shè)定相應(yīng)的操作，燈光和家電就會(huì)按照規(guī)定自動(dòng)完成這些指令，同時(shí)每個(gè)操作都會(huì)有反饋信息說明操作已完成。

智能家居系統(tǒng)主要由主控制器和智能終端節(jié)點(diǎn)等構(gòu)成。其中，主控制器負(fù)責(zé)家居系統(tǒng)的組網(wǎng)以及控制策略的執(zhí)行（主控制器采用三星公司ARM11處理器S3C6410），通過主控制的GSM模塊，用戶可以很輕松的使用手機(jī)對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。主控制器采用WindowsCE6.0嵌入式操作系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用軟件。WindowsCE6.0軟件資源豐富，界面友好，可裁剪程度高，非常適合主控制器的軟件應(yīng)用。

智能終端包括燈光控制器、窗簾控制器、家電控制器、智能開關(guān)插座以及安防消防設(shè)備等，是智能家居系統(tǒng)的控制以及執(zhí)行設(shè)備。智能終端包括一個(gè)ZigBee模塊負(fù)責(zé)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。其中，射頻（RF）通信模塊的核心部分采用CC2420射頻收發(fā)器，CC2420是TI/Chipcon公司在2003年底推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，也是第一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，以0.18μm CMOS工藝制成，具有很高的集成度。該芯片體積小、功率低，其選擇性和敏感性指數(shù)都超過了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用該芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)250kbps，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)，非常適合用于家庭及樓宇自動(dòng)化、工業(yè)監(jiān)控等應(yīng)用系統(tǒng)。CC2420外圍電路的原理圖見圖2。

5 結(jié)束語

本文主要探討了ZigBee技術(shù)與智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用前景及基于該技術(shù)的家庭無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與應(yīng)用。這種方式在現(xiàn)實(shí)生活中具有很強(qiáng)的應(yīng)用性，相信在不遠(yuǎn)的將來，會(huì)有越來越多由ZigBee技術(shù)延伸而出的設(shè)備投入應(yīng)用，并將極大地改善我們的生活方式。

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作者簡介：

朱紅，沈陽建筑大學(xué)高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榻ㄖ悄芑?/p>

劉承憲，沈陽建筑大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)榻ㄖ?jié)能。

王琦，沈陽建筑大學(xué)講師，主要研究方向?yàn)榻ㄖO(shè)計(jì)及理論。

Abstract：With continuous improvement of living standards，people have an increasing requirement on the residential function.Intelligent household has been a hope of human，which can realize communication between substance and human，whenever and wherever householders find out the home status and control them.Smart home can also make life safer，more comfortable and convenient.The emergence of the internet of things technology provides a good technical foundation and brings new development opportunities to smart home.In this paper，based on the ZigBee technology of smart home system related technology research，analysis of the ZigBee system structure and network topology，introduces the ZigBee technology in smart home system，and design a smart home system based on Zigbee technology.

Keywords：ZigBee，Wireless network，Intelligent home

陳品祿/責(zé)任編輯