ZigBee在智能家居系统中的应用

黄晨露　吴贇

【摘要】 作为新技术，ZigBee在社会发展中越来越受到重视。随着Internet技术的不断延伸，ZigBee逐渐作为嵌入系统、设备与互联网互为补充、相互影响。智能家居系统的发展进一步推动了ZigBee的发展，而ZigBee技术又不断融入到家居系统中来，由此ZigBee技术与智能家居系统融为一体。本文概述了ZigBee技术的由来及其优势，并着重从智能家居系统的整体模块、节点软硬件、嵌入式系统、网关数据库等方面进行了设计。

【关键词】 ZigBee 智能家居系统 应用

随着生活水平的提高，家电设备设施的不断完善，人们对生活质量的要求也与日俱增。手动的家居环境已经不能满足人们的生活要求。智能化、自动化家居环境逐渐走入人们的视野。家居系统的设计与完善一度成为国内外研究的焦点。

一、ZigBee概述

ZigBee（中文译名“紫蜂技术”）是太网（IEEE802.15.4）协议的简称，它源于蜜蜂的八字舞，即蜜蜂（Bee）通过“嗡嗡”（Zig）地抖动翅膀来向同伴传递花粉的方位信息。ZigBee协议与蜜蜂传递信息的方式类似，故而取名为“ ZigBee”。ZigBee 是一种可有效应用于智能家居系统的无线网络通信技术标准。两节普通干电池足可以使ZigBee无线传感器持续运行2-3年时间，甚至更长。其组网能力、网络容量较大，网络节点最大可达65535个，且数据交换量、传输速率皆较小。另外，即连即断的功能大大降低了数据间碰撞的概率；数据传输的安全性能较高。ZigBee技术具有显著的优势。一是省电，即其运行周期较短，收发信息能耗较低；二是可靠，即避免了与通信业务预留了时隙，确保了数据的冲突与竞争；三是成本低，即其专利费全免，模块的初始成本费用可低至1.5美元；四是时延短，即设备搜索、休眠激活等时延都按毫秒计算；五是网络容量大，即其网络最大容纳从设备达254个，且一区域内可同时存在100个ZigBee网络；六是安全，即数据传输受加密算法的保护。

二、ZigBee在智能家居系统中的应用

1、智能家居系统整体模块构建。符合ZigBee技术的通信模块开始大范围运用到智能家居系统中来，因此，如何选定通信模块，构建家居系统的整体网络落实智能家居，推动ZigBee技术不断发展显得尤为重要。根据ZigBee技术的相关研究成果，结合智能家居理念，笔者初步将基于ZigBee技术的智能家居系统设计为：人机界面（Web页）-因特网-家庭网关（嵌入式Web服务器和协调器节点）-终端节点。由此看来，智能家居系统主要由人机界面、因特网、嵌入式web服务器、协调器节点、家庭网关、终端节点组成。智能家居系统的核心为家庭网关，家庭网关的稳定性与有效性决定着操作者能否通过计算机访问Web页。终端节点由射频收发模块、传感器及接口控制模块组成。射频收发模块主要为系统提供各端口信息的接受与发送；传感器则对家庭温湿度、突发情况等的探测和对各联网家电的有效控制；接口控制模块则将射频收发模块与传感器有效连接在一起，并执行各项指令。

2、完善节点软硬件设计。作为智能家居系统的节点硬件，温湿度传感器与供电模式是比不可少的。为更好地贯彻“一键OK”式节点设计原则，我们可以根据LED指示灯等家电系统合理设计出与各家庭格局相匹配的按键模式，以便于操作者进行远程监控。相比于硬件设计，智能家居系统的软件设计则相对复杂。软件设计是在硬件驱动的前提下进行的，主要包括任务调度、中断处理、功耗管理、通信协议等内容的传感采集。在采集的过程中，协调器与终端设备发挥了巨大作用。一般而言，启动设备，进入上电初始化，建立星型网络，按指示灯闪烁情况接收信息或休眠，最后通过发送信息，并结束；终端设备的运行则需要点亮指示灯，以触发定时事件或进入休眠状态，通过发送传感器数据，接受网络反馈事件，最终结束。具体设计为：传感采集-任务调度-中断处理-功耗管理-通信协议-任务驱动-LED指示灯-按键-温湿度传感器-供电模块。

3、构建完善的嵌入式系统。考虑到ZigBee传输距离有限的缺陷，我们要在智能家居系统中通过嵌入web服务器的形式打通家庭网关与外部通信的关系，使传输速率、传输范围进一步得到提升。且嵌入式设备具有成本低、能耗低、体积小、稳定性好等优势。在设计嵌入式系统时，我们可以将HTTP协议、TCP/IP协议和socket编程融入其中，使系统在数据传输、储存上发挥最佳功效，以弥补信息传输速率较慢、传输距离有限的问题。

4、构建完善的家庭网关数据库。经传感器分析、处理的数据需要嵌入式数据库作为储存空间，一个个累积的存储空间组成了家庭网关数据库。家庭网关数据库的建立对完善、协调内外网，合理处理各种数据具有重要作用。良好的网关数据系统可以有效防止不同数据传输通道之间的碰撞。

ZigBee技术已然成为智能家居系统的重要组成部分。我们应积极更新观念，合理利用ZigBee技术，不断降低能耗，完善数据传输与储存，推動实现家居环境智能化、自动化。

参 考 文 献

[1]伍云.ZigBee短程无线通讯技术在智能家居系统中的应用[J].中国新通信.2014（3）：111-112.

[2]张小威.ZigBee电路设计及在智能家居中的应用[D].南京邮电大学.2013（2）：5-6.

[3]张毅.ZigBee在智能家居中的应用研究[D].兰州理工大学.2011（5）：13-14.