基于ZigBee技术的智能化家居系统设计*
2019-04-14黄萌余正华王丽余欢安徽财经大学管理科学与工程学院
■ 黄萌 余正华 王丽 余欢(安徽财经大学管理科学与工程学院)
随着科技的发展进步,我们的工作和生活方式也随之改变,特别是在近几年,智能家居概念开始走向大众。如今,80后和90后是市场的消费主流群体,追求智能体验,热爱科技产品,他们对家居安全、家居智能的需求日渐增加。在欧美地区,智能家居的使用率已超过50%,而我国仅3%,智能家居市场有着广阔的发展前景。这几年,国家陆续出台相关政策支持发展智慧家庭、智慧城市,在“互联网+”形势下对国内传统产业进行改造,推动信息家电产业的兴起。
要实现真正意义上的智能家居生活,即在用户端实现对家庭情况的监控和控制,必须依靠稳定可靠的无线传感技术,ZigBee技术的出现,很好的解决了传统家居分散、独立等特点。基于ZigBee技术设计出的无线传感器网络不仅可以实时通过用户端进行监控,还可以通过用户端发出控制指令,控制智能设备的运行状态。
一、智能化家居系统发展现状1
在传统生活中,我们需要自己动手完成各种事情,而智能化家居系统的提出则颠覆了传统生活观念,只要轻轻按一下按钮,甚至不需要动手,通过语音操控,就可以按照自己预想的程序运行,这就是智能家居带来的舒适、简洁、便利的生活体验。1984年,世界上第一栋真正意义上的智能家居在美国诞生,20世纪80年代住宅自动化的概念开始出现,经过长久的发展,外国的智能化家居进程已经取得了很大的进展。一些知名企业如Microsoft、IBM、Samsung等纷纷进军智能家居行业,智能家居行业从开始的混乱无章到形成统一的标准,国外的企业已经在智能家居方面积累了丰富的经验,但是由于智能家居价格太高等多种原因导致智能家居普及速度比较缓慢。
我国智能家居行业起步晚,基础薄弱。进入21世纪以后,随着通信网络和互联网的普及,智能家居概念才出现在国内市场,借鉴其他国家的经验,经过十几年的努力,我国智能家居发展也取得了一定的成果,特别是最近几年房地产行业的迅猛发展和数字化智能时代的来临,智能家居理念开始深入人心,智能家居开始慢慢渗透到人们的日常生活中。2019年是我国商用5G元年,随着5G时代的到来,无线通信技术将更加快速、稳定,我国又是个人口大国,而智能家居的使用率只有3%,市场开发潜力巨大。
二、智能化家居存在的问题
国内智能化家居发展历程较短,智能家居市场还不够完善,其主要困难集中在产品的研发和推广上面,具体有以下几个问题。
(一)市场不规范
智能化家居在国内的发展时间也就十几年,加上我国人口庞大,市场潜力巨大,家电品类众多,但智能家居行业还没有形成统一的标准,家电企业按照各自的标准生产产品,碎片化现象严重,产品的兼容性比较差,影响了智能家居的普及。智能家居的关键技术还需要提高,产品还不够成熟。智能家居是集成了家庭中所有的家居产品,所以需要设备执行统一的标准规格,智能家居生产还没有一个完整的产业链,严重阻碍了智能化家居的发展。
(二)消费意识弱以及智能家居价格较高
改革开放以来,人民的生活水平得到了很大的提高,截止到2017年,全国人均可支配收入较1978年增长了22.8倍,但是受国内传统思维影响,人们更愿意把钱花在买房结婚上面,甚至存到银行,对精神层次的追求还停留在较低的水平,消费观念落后。智能家居虽然能提供方便、快捷、安全和舒适的环境,但就目前市场来说,一整套智能家居的价格并不便宜,一个普通的智能扫地机器人价格最低也在2000元人民币以上,而一整套智能家居的价格在30-100万元人民币,普通家庭根本负担不起。
(三)智能家居产品缺乏创新且操作麻烦
现有的智能家居产品较为简陋、低端,客观上是由于技术研发难度大,市场标准不规范,主观上厂商缺乏创新意识和创新能力,设计出的系统比较繁琐,操作难度比较大,缺乏人性化设计,不适合老年人使用。
国外的智能化家居发展相对较为成熟,其在实用性、环保性和娱乐性上面做的很好,国内智能家居产品还有很长一段路要走,为进一步做好改进,对家居产品功能提出以下几个方面要求:
家庭安防方面:智能家居可以实时监控家庭环境,一旦出现像非法闯入、火灾、瓦斯泄漏和紧急呼救等问题,安防系统就会发出警报,系统进入紧急状态并通知业主以及消防等相关人员,确保及时准确地处理问题。
智能设备控制方面:根据业主对室内灯光和温湿度的要求,自动控制调节灯管的光强度和空调的工作状态,能够实现与业主的交互式智能控制,通过语音识别技术来实现智能控制。
表1 无线网络标准比较
三、ZigBee技术概述
Zigbee是一种应用于低速率和短距离下的无线通信技术,主要用于短距离、低功耗且传输速率不高的电子器件之间的数据传输以及有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输。ZigBee技术的核心部分是IEEE 802.15.4标准,它规定了无线网络的物理层和MAC层,由于IEEE组织在无线领域的影响,以及TI、ST、Ember、NXP等芯片厂商的推动,该标准成为了无线领域的事实标准。
在无线网络中,节点之间的距离越大,则相关的设备就越复杂,相应的功耗和成本也就越高,要解决无线网络问题,高效率的短程传输才是最好的解决方案。ZigBee技术采用接力的方式将信息从一个传感器传到另一个传感器,能实现多个传感器之间的互联互通,大大提高了无线网络通信效率。
目前得到实际应用的无线技术有Bluetooth、WiFi、GPRS、ZigBee等,我们对这几种无线技术进行全方面的分析研究。
通过表格数据分析我们可以得出ZigBee技术主要有以下优势:
(1)功耗小:由表格数据得知,ZigBee协议的功耗远远小于其他无线技术,系统使用两节5号电池可以维持6~24个月。
(2)成本低:ZigBee协议简单,使用免费的2.4Ghz频率。
(3)标准简单:相较于其余无线网络技术,ZigBee技术相对简单,可靠性高。
对于智能家居市场来说,成本大小、功耗高低以及可靠性能是首要考虑的因素。相较于其他几种无线通信技术,ZigBee技术是最适合作为智能家居无线网络的标准。
四、基于ZigBee技术搭建智能家居无线传感器网络
根据智能家居系统的需求分析,设计出家居系统功能模块,如图2所示。
图1 智能家居系统模块
由图1可知,整个系统分为无线传感器网络、家居网关、用户端和web服务器端。无线传感器网络是整个系统的核心,负责感知收集家居设备的信息和智能控制其运行状态。智能家居网关负责接收家居设备通过无线通信发来的数据,同时也可以向传感器网络发送控制指令,智能家居网关也可以连接Internet向用户和web端共享信息和接收用户的指令。
了解了家居系统的大致体系,现对基于ZigBee协议的无线传感器网络进行设计,传感器节点之间使用具有有功耗低、距离近特点的ZigBee协议作为通信协议组网成无线多跳网络。家居传感器网络节点众多,每个无线传感器节点都需要采用相同的硬件设施,连接不同传感器达到相应的功能,传感器硬件节点核心处理器芯片采用美国德州公司TI开发的支持ZigBee协议的SoC芯片CC2530,其内部有ZigBee射频模块,使得电路设计更加简单。传感器节点分为传感型节点和受控型节点,传感型节点通过I/O连接不同的传感器,受控型节点通过I/O连接继电器模块,对相关电器进行控制。家居网关接受了所有的节点信息并进行协议转换,其处理的数据较多,处理器可以采用ARM Cortex-A9 核心的三星 Exynos4412芯片,通过串口连接CC2530模块,实现与传感器网络通信,通过SDIO口连接到Internet,完成内外网的数据信息共享。
五、总结
本文以ZigBee技术为核心,研究了智能家居的发展,国内智能家居市场存在的问题,ZigBee技术概况以及基于ZigBee技术的无线传感器网络设计。随着技术的进步,结合ZigBee无线技术推动智能家居行业的发展,未来的智能家居市场前景广阔,智能家居的变革也会深层次的影响人们的生活水平,极大的提高人们的生活体验。