基于ZigBee技术的智能家居系统的设计与应用

王加梁

摘 要

信息时代背景下，科学技术逐渐成为人们工作、生活中不可缺少的一部分，在提高工作效率、方便人们生活等方面的优势越来越突出。随着人们生活水平的提升，对家居生活提出了更多个性化要求。ZigBee技术的出现，凭借着自身协调性、即时性等特点，成为智能家居系统建立的核心。本文从ZigBee技术概念及特点入手，立足于智能家居系统设计及应用需求对以ZigBee技术为核心的智能家居系统设计进行设计和分析，最后结合具体家居设备探讨系统的应用，以期为我国相关领域发展提供技术支持。

【关键词】ZigBee技术 智能家居系统 应用与研究

随着经济与技术飞速发展，传统家居系统对于灯光、空调等设备状态控制不够直观，用户无法及时了解到自己家中的状况，加之总线式布局过于繁琐，系统整体存在的缺陷愈发明显，使得人们难于控制家居设备。基于此，我们积极探索其他技术在智能家居系统中的应用。其中ZigBee技术作为一项新型技术，更具灵活性特点，能够取代总线式布局大量线路而通过无线传输对设备进行控制，且配合通信技术，能够实现远程遥控，更具直观性优势，使得系统能够更加高效的运行。

1 ZigBee技术概述

ZigBee技术主要是指一种新兴的无线通信技术，最早源于蜜蜂之间相互传递划分位置信息的八字舞，具有成本低、功耗低等特点。随着经济快速发展，家居设备层出不穷，需要更多的节点，加之组件仅限于家居室内通信，对通信距离要求并不高。因此ZigBee技术组网更加便捷、且支持的节点数量更多，符合日益增长的家电需求。

ZigBee技术在智能家居系统中的应用，其优势表现如下：

1.1 功耗较低

ZigBee技术通信速率较低，且引入了休眠机制，当处于休眠待机状态时，电流仅有100uA。在同等条件下，WiFi仅能够工作几小时，蓝牙只能工作几周，而ZigBee技术能够工作半年至一年的时间，使用起来更加方便。

1.2 容量大

一个ZigBee子网能够容纳255个网络节点，将子网连接到一起，最多能够构成64000个网络节点，充分满足当前家居系统家电设备越来越多的需求。

1.3 成本低

ZigBee协议较为简单，对通信控制器要求并不高，使得控制芯片的造价更低。ZigBee通信模块成本在10～20元之间，能够被更多家庭接受，经济性优势更加突出，为其广泛推广奠定了良好的基础。

2 基于ZigBee技术智能家居系统设计

2.1 设计要求

基于传统智能家居系统存在的滞后性，本文对提出的建立在ZigBee技术基础上的智能家居系统设计要求做出了相应的调整。详细来说，

2.1.1 数据传输精确度

系统运行将所有家电整合到一起，在同一个网络当中互相协作。控制器需要根据不同的参数进行调整和控制。因此我们首先要做到的就是确保数据传输精确度。

2.1.2 自我恢复性

家电设备长时间使用极有可能受到网络故障的影响，出现网朴结构混乱问题，因此构建一个智能化网络非常必要，当遇到故障时，能够自动恢复到正常状态当中。

2.1.3 可拓展性

随着技术不断发展，人们需求也会发生变化。因此要赋予系统可拓展性，满足家庭设备不断增长的需求。

2.2 系统功能

本文提出的ZigBee技术的智能家居系统主要由三个部分构成。首先智能传感器作为系统的首要环节，能够广泛收集到不同传感器节点发送出来的信号。其次，传感器汇集设备能够对不同的传感器进行控制，具有承上启下功能。最后，数据中心主要负责处理用户控制事件。当用户发出控制指令时，系统能及时收到信息并对信息进行处理，进而传送给制定的设备做出控制反应。

2.3 模块划分

2.3.1 传感器结构

该结构主要包含flash存储、滤波及对信息的预处理模块。

2.3.2 A板结构

系统在运行过程中，当信息传递时，传感器能够通过控制口进行信息传递和交换。微处理器需要传送不同的数据给ZigBee通信模块。该结构主要负责数据打包、分解，并对数据进行分析，尤其是火警、防盗等信息的判断。如果ZigBee无法接收信息，会将信息存储到flash系统当中。

2.3.3 B板结构

B板有线网口，GPRS、ZigBee及微处理器能够同时使用同一个接口，且不会互相影响。在使用中，该结构主要负责键盘输入、时间同步及定位等。模块划分，系统功能框架图如下图1所示。

2.4 硬件实现

（1）处理器作为系统运行的重要基础，其质量好坏直接影响系统运行质量。基于此，本文从多方面考虑，选择了单片机PIC18LF4620，该设备性能较好，且引入了先进的框架结构，较传统设备更具优势，如运行成本更低、存储量更大，在智能家居系统中应用，能够为数据传递创建良好的平台。

（2）对于无线芯片的选择，笔者经过比较，最后选择了CC2420频射芯片，该芯片运行速度快，且具备多对多传送功能。

（3）针对主控制模块的设计，当ZigBee主控制模块收到从控制模块发来的数据信息后，单片机将会进入到低电平状态中，直至信息接收完整。然后主控制模块与单片机转变到反射模式，提供反馈信息。最后通过显示屏内容帮助使用者了解自己家中的情况。

2.5 软件实现

2.5.1 应用层

Web服务页面、数据文件及接口程序共同构成了智能家居系统的核心。当系统运行时，用户登录到相关界面上发出相应的指令，信息会通过ZigBee网络传输到服务器上，而服务器将会对信息进行整理、分析等，存储到数据库文件当中，最后发出对家电设备的控制，使得家电处于关闭或者开启等状态，完成整个操控过程。

2.5.2 应用层

利用ZigBee模块对中断器、寄存器等设备进行指令发送等。主控制器接收到用户传输的信息，会通过无线模块传递给控制模块，以此来对家居设备进行控制。

2.5.3 协调器节点设计

协调器节点作为整个ZigBee无线网络的管理员，在整个系统中占据非常重要的位置，能够进行网络建立、分配地址等操作。因此，在ZigBee网络中，我们需要安装一个协调器作为网络的主要节点，以此来提升整个系统运行有效性。

2.5.4 终端节点

终端节点是整个网络结构中最为简单的环节。在系统运行过程中，能够接收到来自主节点的信息。由于其不需要与邻近节点协调，并兼具路由功能，故能够赋予系统更强的性能。同时当系统处于休眠状态时，其每个终端节点处于低功耗状态，能够节省大量电能，降低系统运行成本。

综上：基于ZigBee技术的智能家居系统设计，其融合了多元技术，形成了更具人性化、直观化特点的家居系统，为人们生活的更加便利奠定了坚实的技术基础。

3 基于ZigBee技术智能家居系统的实现与应用

为了提高文章研究的实用性，笔者将结合具体的家电进行研究。包含：

3.1 灯光控制

将ZigBee技术作为基础的灯光控制，在实践中，主要采取的是一对一、一对多的控制。在此基础上，能够确保使用者通过软件实现灯光控制，减少对电力资源的浪费以及提升用户使用的便捷性。

系统运行中，用户通过远端遥控，将指令传递给ZigBee系统中的B板，当数据1位出现001时，那么对应的灯将会处于照明状态。当数据2位显示1时，对应的灯也会开，而当数据显示为0时，灯光将会处于关闭状态。通过此，用户能够借助无线通讯远端操控灯光开关与强弱，从而为人们生活提供更多便捷，且能够在很大程度上减少对电能的浪费。

3.2 智能窗帘控制

对于窗帘的控制，就是对各类带有电动马达设备的控制，能够进行开关及停的操控，如卷帘门、电动门等。当系统运行时，用户按下“open”、“close”键时，窗帘就会自动拉看或者关闭，当达到相应的位置后也会自动停止，完成整个操作目标。如果用户不需要完全打开或者关闭，可以按下“stop”，窗帘会在指定位置停下。

实现上述目标的关键在于系统内部拥有的单片机，能够积极响应各个用户发出来的信号，其中包括ZigBee指令信号的传送、控制等，从而实现对智能窗帘的有效控制。当系统接收到发射出来的信号后，自然会做出对应的动作。如提前设置好窗帘开关时间，或者根据光线调整窗帘的开关等，使得人们能够在更加舒适的环境中工作和生活。

3.3 其他智能电器控制

除了传统的感应、无线射频控制，万能遥控学习成为ZigBee技术支持下智能家居系统的一大特色。通常来说，不同家电都具有不同的操控指令，而同一家电中还具备多个功能。而这些都能够通过家居系统完成控制目标。该功能实现各种家电联动与远程开关控制，用户仅通过短信、电话，便能够进入家门之前将家电打开。从系统内部来看，当用户发出指令后，ZigBee会进行数据传输、接收，系统通过之前设置好的代码创建文件，读取指令后，从而实现对电器的操作。

针对不同电器的控制，当用户发出指令后，B板会发挥自身承上启下功能，B板通过ZigBee接收，按照具体的协议进行分类，并对电器进行判断，如当B板接收到的数据为1，1，0，0时，主要是开启某项功能。

4 结论

根据上文所述，自人类社会正式进入到数字化时代，电子、计算机等技术在人们生活中得到了广泛普及。随着人们生活家居家电设备的增加，将其与无线通信技术、电线技术等整合到一起，通过智能化管理从而实现家居生活智能化的目标。本文立足于ZigBee技术优势，提出了一种新型智能家居系统，不仅对传统家居系统存在的缺陷进行了调整和优化，且赋予系统更多新功能，在很大程度上提高了人们的生活质量。由于智能家居与人们生活存在非常密切的联系，未来还会对智能酒店、客房控制、城市能源、城市交通等方面产生巨大的影响力。因此随着技术不断发展，我们还需要加大研究力度，加快智能家居系统朝着网络化、信息化方向发展，从而促使人们生活更加美好。

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