Zigbee技术在智能家居网络设置中的应用

王海燕

(1.济源职业技术学院 基础部，河南 济源 459000；2.河南理工大学 计算机科学与技术学院，河南 焦作 454000)



Zigbee技术在智能家居网络设置中的应用

王海燕1,2

(1.济源职业技术学院 基础部，河南 济源 459000；2.河南理工大学 计算机科学与技术学院，河南 焦作 454000)

摘要：基于Zigbee的物联网技术、3G模块的智能家居环境设计层出不穷，在网络智能化方面发挥着巨大的作用.设计了基于Zigbee网络组建、互联、APP终端登录一体化的智能家居控制网络化系统.阐述了Zigbee技术和智能家居概念，介绍了系统整机工作原理及设计流程，并设计系统软件与硬件配置.本设计理念与系统方案对Zigbee网络应用及智能控制提供依据.

关键词：Zigbee技术；智能家居；物联网；整机设计

0引言

智能家居是通过无线设备及终端控制实现家电等生活用品的数字化、网络化控制.目前智能家电只限制于一些简单电器，如电视、冰箱等的控制，没有形成系统的智能化管理，家电控制技术也不太完善[1-2].通过移动终端客户端登录家庭网络系统，查看家电运行状况是一种研究方向.该系统中，家电使用数据被存储在网络中，上传至移动网络，从而实现终端登录控制[3].但是目前用于无线通信的设备和技术较多，物联网技术也在快速发展，一种基于Zigbee(紫蜂协议)技术的无线通信技术应运而生[4].Zigbee技术是通过自己组网，完成网络设置，通过网络协调器连接，并将一些光、热、电信号转化为可以传送的数据，通过终端调控，实现信号处理[5-6].通过在家用电器中布置Zigbee节点，节点处的传感器采集信号后，通过网络协调器处理成数据.通过设计终端APP，利用家庭账号登录，实现家用电量、用电状态等信息的查看和控制.本文设计一种基于Zigbee的智能家居控制系统，介绍了基本Zigbee功能和智能家居概念，研究内容为目前智能家居控制提供依据.

1Zigbee技术及智能家居概念

1.1Zigbee技术简介

图1　Zigbee协议栈结构图Fig.1　Stack chart of Zigbee protocol

Zigbee显著的特征：低速率、低功耗、短时延、免许可无线通信频段、多种组网方式、近距离通信、可靠数据传输、大容量网路、自配置、三级安全模式[7].这些特性完全可以满足本项目的需求.当前Zigbee无线传输技术已经相当成熟，而且，对于现有的Zigbee产品的实用性和简易操作，还有Zigbee模块低功耗、短距离、安全性高的特点，可以很方便地组建一个家庭局域网.然后可以将其接入Internet，移动终端就可以通过自主研发的APP来操控整个家居系统.Zigbee在低信噪比的环境下具有很强的抗干扰性能[8].完整的Zigbee由五个层次组成，包括：物理层、数据链路层、网络层、应用汇聚层以及应用层.各层的包含关系及设计的标准由专门的制造商设定，如图1所示.

利用Zigbee技术设定智能家居网络具有较大优势.由于它是通过设置节点来实现网络无线通信，可以形成星形、网形以及簇形三种传播形式[9].另外，受到传输距离的限制，Zigbee非常适合安装在家庭内并实现网络连接，在低距离、快速通信方面作用明显.相对于蓝牙传输和FSK电台的无线传送，Zigbee技术在功耗、成本、数据采集方面具有明显优势[10].Zigbee与蓝牙性能的比较如表1所示.

表1　Zigbee和蓝牙性能比较

在相同的环境中，Zigbee抗干扰性能远远好于蓝牙和WLAN.Zigbee的抗干扰性能是蓝牙、WLAN和FSK的1000倍.Zigbee技术采用抗干扰设计.Zigbee在物理层采用高处理增益的直序/频率快变DS/FA技术；Zigbee的处理增益越大，抗干扰和抗多径时延扩展的能力也越强；Zigbee具备的频率快变就是改变频率，以避开从一个已知干扰源或信号源来的影响的能力;实验证明IEEE 802.15.4/Zigbee的误码率，特别是在信噪比为4dB的情况下可达到 10-9；达到同样误码率，蓝牙/ 802.15.1 信噪比要达15 dB，802.11b要达11 dB，Zigbee的抗干扰性能明显高于蓝牙和WLAN技术.

1.2智能家居概念

智能家居又称住宅智能化，是智能建筑的重要组成部分.它可以定义为一个过程或者一个系统，该过程(系统)利用先进的计算机技术、网络通信技术、综合布线技术构建与家居生活有关的各种子系统，并将其有机结合在一起，通过统筹管理，将智能家居的被动静止结构转变为具有智慧的新动态，为住户生活提供全方位的信息交换功能，帮助家庭和外部、使用者与家庭环境之间保持信息交流畅通，优化人们的生活方式.

2智能家居系统设计

2.1系统介绍

系统设计的目标为建立智能家居系统，搭建一个基于Zigbee的网络，利用APP的无线控制终端，开发一套APP来操控的智能化家居系统.主要包括移动APP终端，家庭用电器的环境控制系统和数据传输的网络，将家电环境情况组建一个网络，在APP终端登录网络，实现对家电环境进行操控.目标智能家居系统如图2所示.

图2　智能家居示意图

由图2可知，在电脑、冰箱等家电上安装智能的传感器数据采集装置，通过设置Zigbee节点，将这些信号转化为可传输的数字信号，并根据节点排列.通过Zigbee组网模块设计专门网络，网络为目前3G移动数据网络.设计移动客户端，在客户终端APP通过3G网络登录，便可以查看所传输的信号.通过设计遥控器，可以在家庭中随时控制家电的开关，还可以加入语音播报、光声控制的环节，实现智能化控制.将所有家电组成一个统一的网络，实现家庭内网络化控制.

2.2系统组成

本设计系统主要部分包括，移动终端APP、家庭电器环境系统和无线通信系统.

1)移动客户端APP.移动的APP客户端，满足随时随地监测家电的使用情况，并通过联入网络实现对家电的控制，简单并易于操作，能够适用不同的需求.在智能手机普及的情况下，移动终端可通过网络安装APP，APP为存储数据库宝库客户名、客户密码及实时用电环境，需要调用已经传输并存储的数据库内容.登录终端设计为一键处理形式，避免因操作问题产生错误控制.

2)家居电器环境系统.在不同家庭用电器上安置Zigbee模块，用于监测和控制各个电器的工作与运行，采用锂电池供电，实现断电正常工作.将所有家用电器模块通过组建模块与协调器连接，实现家电系统的数据传输.Zigbee模块包含多种电量检测的传感器，传感器安装在电器的插线接口处，传感器检测的数据经过处理成为电信号，完成电量检测的工作.

3)无线通信系统.各个家电为Zigbee终端，可实现远程数据传输，安置协调器，接入网络.在APP终端连入网络，实现对不同的家电控制.家电终端不断发送数字信号，通过已经组建好的网络实现互联，客户通过登录终端账号，在交互式界面上选择需要观察的内容，并实现一键处理，简单便利.

2.3系统技术开发流程

图3　整机系统结构图Fig.3　Whole system configuration diagram

1)系统总机设计.智能家居的总机包括两大部分，具体为：网络协调器(FFD)、检测终端及节点Zigbee模块.网络协调器具有实现家庭网络的组建，数据信息的接收和处理与监测主机通信等功能.FFD是网络的核心环节，如果受到Zigbee模块传输距离的限制，在传输路径安装节点Zink，其可以接收并转发数据信息.监测终端采集数据后，由无线发射传送给网络协调器，然后由网络协调器传送到PC机处理，一个节点Zink主要包含处理器、测量传感器等.整机的系统结构如图3所示.

2)系统硬件设计.系统硬件主要包括一个FFD，一个或多个Zink充当终端设备.在实验阶段，先搭建只有一个Zink的系统.不论是FFD还是Zink,核心部分都是处理器，目前使用较多的是TI公司的二代SOC CC2530系列.考虑性价比和系统功能需要，选择CC2530F64，它包含8051内核，前端有RF无线收发功能，8KBRAM，64KB FLASH，12位ADC，21个通用GPIO，在此基础上配置串行通信接口就可以构成一个Zigbee网络的协调器.

3)系统软件设计.系统软件是通过CC2530网络平台，一方面实现网络的组建，即程序扫描、初始化、加载节点数据、数据处理与验收、数据发送等.另一方面是终端节点程序内容外接口数据初始化、加入网络、传感器的逻辑控制、数据采集与接收等.软件程序与硬件接口设置相一致，实现这个数据的传输协调一致.

3结束语

无线传感技术与网络传送数据项统一配合是目前物联网发展的一个主要方向.目前无线传感与家电、交通、机械等其他无法直接检测的设备配合，实现智能家居设计、智能公交系统、智能在线检测等，越来越多的自动控制技术为物联网的应用提供了帮助.本文考虑家居网络化的情况设计出家庭网络组建与手机APP结合的技术，大大便利了人们对家庭用电情况的把握和控制.

参考文献

[1]金东勇. Zigbee技术在智能家居控制系统中的应用研究[D].太原：太原理工大学，2008.

[2]邹卫华. Zigbee技术在智能家居中的应用[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2008.

[3]曾平红. 浅谈Zigbee技术在智能家居中的应用[J].电子制作,2013(10):286.

[4]江虹,刘骊. Zigbee技术在智能家居控制器中的应用研究[J].云南大学学报,2009,31(S1)：109-113.

[5]王永春. Zigbee技术在智能家居中的应用[J].智能建筑与城市信息,2009(1):76-79.

[6]肖文,黄虎成,孙茂一,等.Zigbee技术在智能电网系统中的应用研究[J].现代电子技术,2010(13):79-82.

[7]郭佳. 基于无线传感网络的智能家居系统的研究与设计[D].燕山：燕山大学，2013.

[8]周晓东, 连纪文,李宏发. 智能ODN技术在电力通信中的应用[J]. 电力信息与通信技术,2016,14(1):44-48.

[9]郝波. Zigbee技术在海南林业环境检测中的应用[J].信息与电脑,2016(1):33-35.

[10]姜涛,马家威, 王学文,等. Zigbee技术在智能公交管理系统中的应用及系统综合评价[J].机械与电子，2015(9):53-56.

Application of Zigbee Technology on Network Settings of Smart Home

WANG Haiyan1,2

(1.Basic Department, Jiyuan Vocational and Technical College, Jiyuan 459000, China; 2.Institute of ComputerScienceandTechnology,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo454000,China)

Abstract:Based on Zigbee Things technology and 3G module, smart home environment design plays an important role in terms of network intelligence. Designed intelligent home control networking systems based on integration of Zigbee networking, Internet and APP terminal login . Describes the Zigbee technology and smart home concept, introduces the principle of the whole system and design process, and designs system software and hardware configuration. The design and system solutions provide the basis for Zigbee network applications and intelligent control.

Key words:Zigbee technology; intelligent home; things; integral machine design

收稿日期：2016-01-22

作者简介：王海燕(1984—),女,河南济源人，济源职业技术学院基础部教师，河南理工大学计算机科学与技术学院在读硕士研究生.

doi：10.3969/j.issn.1007-0834.2016.02.006

中图分类号：TN923

文献标志码：A

文章编号：1007-0834(2016)02-0024-03