于國福

（四川長虹電子控股集團有限公司，四川 綿陽 621000）

0 引 言

家庭居住環(huán)境智能化程度的提升，可以極大地方便人們的生活，提升居住質(zhì)量。但是，傳統(tǒng)的智能家居組件的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于簡潔，連接節(jié)點數(shù)量也比較少，并且還存在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性不強的情況，嚴重影響人們的居住體驗。ZigBee3.0技術(shù)主要利用無線通信模組建立點對點的通信方式，無論是在安全性還是穩(wěn)定性方面都具有突出優(yōu)勢，可以滿足不同業(yè)務(wù)場景的實際需求[1]。在智能家居以及樓宇自動化等環(huán)境中，ZigBee3.0技術(shù)都具有良好的適配性，可以用來控制家用電器、集中照明以及采暖制冷等。另外，ZigBee3.0技術(shù)在工業(yè)自動化環(huán)境同樣可以得到有效應(yīng)用，提升工業(yè)生產(chǎn)的安全性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域同樣可以充分發(fā)揮技術(shù)本身所具有的網(wǎng)絡(luò)容量大、響應(yīng)速度快以及自動組織等技術(shù)優(yōu)勢。

1 ZigBee3.0技術(shù)特點

現(xiàn)階段，主流的無線傳輸協(xié)議主要有ZigBee協(xié)議、藍牙技術(shù)和WiFi協(xié)議等。其中，ZigBee技術(shù)主要依靠IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)，在智能家居、傳感器網(wǎng)絡(luò)以及工業(yè)自動化控制等領(lǐng)域都得到有效應(yīng)用。ZigBee3.0技術(shù)可以將原本處于分散狀態(tài)的無線標(biāo)準(zhǔn)簡化為單一標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)多種智能設(shè)備的無縫互操作，有效解決不同應(yīng)用層協(xié)議間的互聯(lián)互通問題[2]。應(yīng)用ZigBee3.0技術(shù)，可以全面提升網(wǎng)絡(luò)安全性，為端對端的安全通信提供保證。利用ZigBee3.0網(wǎng)絡(luò)可以連接IP網(wǎng)絡(luò)，允許智能手機、平板電腦以及計算機等設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)進行本地和遠程控制，有助于家居體驗智能便捷性的提升。

2 基于ZigBee3.0技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)勢

智能家居系統(tǒng)研究工作的開展具有重要的現(xiàn)實意義，其可以有效改善人們的生活方式，為人們提供更加高效、舒適和便捷的居住條件。另外，智能家居系統(tǒng)還有利于提升家居環(huán)境安全性，有效保障人們的安全。不斷推進智能家居系統(tǒng)的普及工作，有利于整個社會安全性的全面提升。大數(shù)據(jù)技術(shù)支持下的家居系統(tǒng)，不僅可以改變?nèi)藗兊纳罘绞?，還能夠改變社會管理模式，促進構(gòu)建智慧型 環(huán)境。

ZigBee3.0技術(shù)作為一種新型局域網(wǎng)協(xié)議，主要可以用來支撐大量微小互傳感器之間的信號傳輸。將其應(yīng)用至智能家居系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，可以改善WiFi、Bluetooth等無線通信技術(shù)的應(yīng)用弊端，進一步拓展傳輸范圍、降低功耗以及應(yīng)用成本等。

基于ZigBee3.0技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計最突出的優(yōu)勢便是低能耗[3]。一般情況下，進行數(shù)據(jù)傳輸和處理時，ZigBee無線通信技術(shù)只需要1 mW的功率，待機時消耗能源將進一步降低。根據(jù)相關(guān)實驗結(jié)果，使用ZigBee通信技術(shù)的通信設(shè)備，可以利用兩節(jié)5號干電池持續(xù)工作半年甚至更長的時間，明顯長于藍牙和WiFi等技術(shù)通信設(shè)備的幾小時或者幾周的工作時間。

使用成本低同樣是基于ZigBee3.0技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計的突出優(yōu)勢，主要是可以免去專利費用，以此促進用戶使用成本的降低，最終達到節(jié)約費用的效果。ZigBee3.0技術(shù)的通信協(xié)議十分簡單，對于通信控制器的要求不高。在實際應(yīng)用中，8051單片機的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32 kB代碼，子功能節(jié)點可以少至4 kB代碼，有利于ZigBee通信技術(shù)應(yīng)用成本的大幅度降低，不僅可以滿足正常通信功能，還能夠為工作效率的增強以及通信質(zhì)量的提升提供促進作用。

除此之外，基于ZigBee3.0技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計還具有通信延時小的優(yōu)勢，可以為響應(yīng)速度提供保證，這也是該項技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的主要原因[4]。應(yīng)用ZigBee3.0技術(shù)，從網(wǎng)絡(luò)終端到連接網(wǎng)絡(luò)只需要耗費30 ms，比普通無線通信技術(shù)縮短了 5 ms的通信時間。

3 基于ZigBee3.0技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計策略

智能家居系統(tǒng)雖然可以滿足人們對于高質(zhì)量家居環(huán)境的需求，但是存在市場推廣成本高以及管理難度大等問題，智能家居系統(tǒng)的安裝也存在一定安全隱患。將ZigBee3.0技術(shù)應(yīng)用至智能家居系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中，可以完善家庭網(wǎng)關(guān)，在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上實現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)設(shè)計的完善。ZigBee3.0技術(shù)還可以適應(yīng)家居房屋建筑面積所存在的局限性，實現(xiàn)短距離的高效傳輸，同時有效規(guī)避信號傳輸時的干擾。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)及系統(tǒng)特色

智能家居系統(tǒng)當(dāng)中的不同子系統(tǒng)擁有統(tǒng)一、集成、友好的操作界面，子系統(tǒng)或者設(shè)備基本不獨立運行，處于互聯(lián)、互通、互動的連接狀態(tài)[5]。以ZigBee3.0技術(shù)為基礎(chǔ)的智能家居系統(tǒng)，免去了布線環(huán)節(jié)，主要應(yīng)用無線組網(wǎng)，系統(tǒng)設(shè)計的主要標(biāo)準(zhǔn)為ZigBee3.0標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以對不同標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee3.0設(shè)備輕松兼容和接入，在升級和擴展空間方面也比較充足。基于ZigBee3.0技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的特色可以歸納為無線控制、自由組合、超低能耗以及擴展性強等，具體如表1所示。

表1 基于ZigBee3.0技術(shù)智能家居系統(tǒng)特色

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

應(yīng)用ZigBee3.0技術(shù)進行智能家居系統(tǒng)設(shè)計，需要設(shè)計全開全關(guān)功能、家電控制功能、集中控制功能、防盜報警功能、情景控制功能、定時控制功能、遠程監(jiān)控功能、語音控制功能以及自動聯(lián)動功能等。首先，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備利用一次性操作將家庭不同功能區(qū)域所有燈光以及電氣打開或者關(guān)閉的功能。手機和平板燈已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鞑豢扇鄙俚囊徊糠?，因此所設(shè)計的智能家居系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)滿足居民利用手機或者平板等對電器以及家居不同功能進行遠程控制的要求。很多居民十分關(guān)注系統(tǒng)的防盜報警功能，一旦發(fā)現(xiàn)水管破裂以及煤氣泄漏等異常情況時，盡快將報警信息發(fā)送給指定手機。情景控制功能主要是指系統(tǒng)可以支持回家、離家、會客以及就餐等模式[6]。

設(shè)計智能家居系統(tǒng)時，應(yīng)當(dāng)嚴格遵循實用性原則、安全性原則以及規(guī)范性原則等，充分發(fā)揮ZigBee3.0技術(shù)優(yōu)勢，完善系統(tǒng)各方面功能。以某智能家居系統(tǒng)功能設(shè)計為例，主要運用ZigBee芯片cc2530，采用星型拓撲結(jié)構(gòu)完成組網(wǎng)，借助ZigBee3.0技術(shù)實現(xiàn)協(xié)調(diào)器和節(jié)點通信，并且連接串口構(gòu)成完善的傳輸鏈路。

3.3 系統(tǒng)主要組成部分

智能燈光系統(tǒng)、智能窗簾系統(tǒng)、智能暖通控制系統(tǒng)、家電控制系統(tǒng)以及智能報警系統(tǒng)等都屬于基于ZigBee3.0技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的主要組成部分，具體設(shè)計如圖1所示。系統(tǒng)的不同組成部分發(fā)揮著各自的功能，為整體的智能化家居體驗的提升提供服務(wù)。以智能燈光系統(tǒng)為例，智能觸摸型開關(guān)代替了傳統(tǒng)機械開關(guān)，具有多種控制模式，包括本地?zé)艄饪刂啤⑦h程控制、定時控制以及集中控制等多個控制模式，用戶可以依據(jù)實際需求進行燈光模式的預(yù)先設(shè)定。智能暖通控制系統(tǒng)將空調(diào)、新風(fēng)、地暖協(xié)議轉(zhuǎn)換器放置于智能家居信息箱中，有效轉(zhuǎn)變其協(xié)議為http協(xié)議，在控制和聯(lián)動時主要依靠智能家居App。運用智能家居系統(tǒng)對暖通設(shè)備開、關(guān)以及運行模式進行控制時，終端主要通過RS-485協(xié)議接口實現(xiàn)不同區(qū)域暖通設(shè)備聯(lián)網(wǎng)型溫控面板通信。智能門鎖系統(tǒng)將互聯(lián)網(wǎng)和ZigBee3.0技術(shù)融合在一起，借助云服務(wù)器、智能手機以及ZigBee終端等進行遠程開鎖以及信息管理等。

圖1 以網(wǎng)關(guān)為中心節(jié)點的智能家居系統(tǒng)

3.4 區(qū)域及控制方式設(shè)計

智能家居系統(tǒng)的智能燈光面板主要被設(shè)置在入戶玄關(guān)、客廳、餐廳、廚房、臥室以及書房等區(qū)域，主要用來控制不同區(qū)域的燈光。場景面板則主要被設(shè)置在入戶玄關(guān)、客廳以及餐廳等區(qū)域，方便居民結(jié)合自身具體需求啟動對應(yīng)的預(yù)設(shè)場景，用戶可以通過智能家居App個性化設(shè)置場景模式內(nèi)容。窗簾面板和空調(diào)地暖面板主要被設(shè)置在客廳、臥室以及書房等區(qū)域，對電動窗簾以及空調(diào)地暖等進行本地控制、遠程控制以及定時控制。面板觸控、手機App控制以及語音控制等屬于智能家居系統(tǒng)的主要交互方式，語音控制的實現(xiàn)主要依靠智能機器人、智能音箱、手機App音控以及Siri語音等。

3.5 家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計

ZigBee無線技術(shù)傳感器是家庭網(wǎng)關(guān)重要的構(gòu)成器件，為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)的實現(xiàn)提供支撐，同時還可以對網(wǎng)絡(luò)運行情況進行檢測，有效連接不同傳感器節(jié)點之間的通信。家庭網(wǎng)關(guān)不僅具有較強的傳輸功能，還具有良好的擴展性。在設(shè)計家庭網(wǎng)關(guān)時，應(yīng)當(dāng)緊密結(jié)合智能家居的實際情況以及具體功能，完成功能齊全的外部接口設(shè)計。智能家居處于快速更新迭代的狀態(tài)，因此需要在使用一段時間智能家居后，對其進行更新，在設(shè)計過程中需要明確數(shù)據(jù)幀格式，方便后續(xù)智能家居設(shè)備的更新升級。

家庭網(wǎng)關(guān)的硬件處理器以無線低功耗單片機CC2430為主?？紤]到軟件協(xié)議復(fù)雜和數(shù)據(jù)流量大等特點，應(yīng)當(dāng)在內(nèi)含F(xiàn)LASH的CC2430基礎(chǔ)上進一步擴展存儲器，以此來專門存儲紅外脈沖碼。供電模塊以低壓差線性可調(diào)穩(wěn)壓器TPS78 601為主，將電壓穩(wěn)定至3.6 V，向整個系統(tǒng)輸出，還可以在輸出部分分別設(shè)置2.2 μF和15 pF的電容，以此縮小輸出電源的波紋，避免輸入端受到明顯干擾。短信收發(fā)則主要應(yīng)用GR64模塊這一工業(yè)級無線調(diào)制解調(diào)模塊。該模塊具有豐富的外設(shè)接口。短信模塊和單片機CC2430之間的通信主要依靠RS-232協(xié)議。這兩者為GSM網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。

4 結(jié) 語

ZigBee3.0技術(shù)的出現(xiàn)，為打破不同產(chǎn)品類型、不同品牌以及不同應(yīng)用場景之間的壁壘提供了可能。以這一技術(shù)為基礎(chǔ)完成智能家居系統(tǒng)的構(gòu)建，可以明顯提升系統(tǒng)控制的智能化程度以及便捷性，支撐不同類型智能家居產(chǎn)品的互聯(lián)互通以及多平臺操作，滿足智能家居系統(tǒng)的通信需求，屬于現(xiàn)代化智能家居系統(tǒng)當(dāng)中較為理想的通信方式。今后，應(yīng)當(dāng)進一步發(fā)揮ZigBee3.0技術(shù)的高穩(wěn)定性、高安全性、高效率以及低成本等優(yōu)勢，促進智能家居行業(yè)的進一步發(fā)展。