基于ZigBee的智能家居系统研究综述

李东林 古丽米拉·克孜尔别克

摘  要： 智能家居是利用移动通信、远程控制、可控传感器等技术对家居进行远程监控，构建全面的家居管理系统。智能家居利用网络通信技术和物联网技术将家中的各类家居集成到一起，提供便捷安全的家用电器控制、灯光控制、窗帘控制、安防控制、环境监测、暖通控制、红外转发等多种功能。ZigBee通信技术具有复杂度低、体积小、能耗少、成本低等特点，是智能家居内部组网的首选。文章介绍了基于ZigBee技术的智能家居控制系统设计方案。

关键词： 智能家居; 红外遥控技术; ZigBee; 传感器; 远程控制

中图分类号：TP23          文献标志码：A      文章编号：1006-8228（2019）06-23-04

Abstract： Smart home uses mobile communication， remote control， controllable sensors and other technologies to monitor and control the home remotely， build a comprehensive home management system. Smart home uses network communication technology and Internet of Things technology to integrate all kinds of home equipment together， providing convenient and safe household appliances control， lighting control， curtain control， security control， environmental monitoring， HVAC control， infrared forwarding and other functions. ZigBee communication technology has the characteristics of low complexity， small size， low energy consumption and low cost， so it is the first choice for smart home internal networking. In this paper， a design scheme of smart home control system based on ZigBee technology is introduced.

Key words： smart home; infrared remote control techniques; ZigBee; remote control

0 引言

隨着生活水平的提高及物联网技术的快速发展，人们对于生活品质的追求越来越高。以往的“半智能”家电已不能满足人们日常生活的需要，完整的系统化智能家居设计方案一经推出便得到了广大消费者的青睐。智能家居是以家庭住宅为核心，利用远程控制技术和物联网技术实现智能化的家居生活。智能家居最主要的特点是智能化，即在普通家居的功能基础上引入控制器，使其不仅具有传统家居的功能，还具有信息传递、实时监测、远程控制以及当家居环境出现异常时自动报警并将信息实时发送给用户等功能。本项目基于ZigBee通信，将普通手机作为智能家居系统的中控机，设计一款新型的智能家居控制系统，实现外网远程控制家庭的窗帘、电灯、电器、门禁等。该系统不但可以提高用户的生活质量，也可节约生活费用成本，降低用户的经济负担。

1 智能家居的发展概况及发展现状

1.1 智能家居的发展概况

智能家居的概念很早便被提出了，但是一直都没有具体的实施方案。直到1984年美国联合科技公司将建筑设备进行信息化、整合化。这项设计应用于美国康乃迪克州哈特佛市的一座旧式大楼的改造，联合科技公司采用计算机系统对大楼的空调、电梯、照明等设备进行监测和控制，并提供语音通信等方面的信息服务，至此首栋智能型建筑诞生，也揭开了智能家居发展的序幕。此后，美国电子工业协会于1988年编制了第一个适用于家庭住宅的电子设计标准，即：《家庭自动化系统与通讯标准》，也有称之为家庭总线系统标准;我国也在 1997 年初开始制定《小康住宅电气设计（标准）导则》。在“导则”中规定了小康住宅小区电气设计总体上应满足以下要求：高度的安全性;舒适的生活环境;便利的通讯方式;综合的信息服务;家庭智能化系统。同时也对小康住宅与小区建设在安全防范、家庭设备自动化和通讯与网络配置等方面提出了三级设计标准，即：第一级为“理想目标”;第二级为“普及目标”：第三级为“最低目标”[1]。

1.2 国外智能家居的发展现状

1984年美国在哈特福德市建成了世界上第一幢智能化大厦，世界上的经济强国纷纷加入智能家居开发中来，提出了不同的智能家居构建方案。经过几年的发展，智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都广泛的应用开来[2]。20世纪末在新加坡举办的“亚洲家居电器与电子消费品国际展览会”上，“未来之家”首次出现在人们面前，其中的家居智能系统也随之在世人面前亮相。在新加坡有近30个住宅小区采用了“智能家居系统”。美国已有近40000户家居安装并使用了这款系统。伴随着信息产业和物联网技术的飞速发展，家庭智能化改造的成本费用也在不断降低。目前，在全球范围内，涉足计算机行业、家电行业以及通信等行业的公司都把目光集中在智能家居的发展上，纷纷进入这个领域。如硅谷智能化家居服务技术也成为其投资和研发的热点;三星公司2003年在中、韩两国同时推出了智能家居系统，该公司通过机顶盒和网络，把家居自动控制、家电安防设备、娱乐和信息传递中心这四部分集成一个全面的、面向互联网的智能化家居设计。因此，总体而言，国外的智能家居技术已经日趋成熟并达到了一定的水平[3]。

1.3 国内智能家居的发展现状

国内智能家居产品的研发从上世纪九十年代后期才起步，较国外的发展来说起步很晚，在整体水平上也参差不齐，软硬件功能较差，升级能力差，系统维护困难，大都采用了有线通信技术为基础进行系统设计，布线成本较高。基于无线通信技术的智能家居系统目前还出于试验阶段，很多厂商对该产品的核心技术并不拥有自主知识产权。国内的智能家居控制系统产品很多，据估计有数百个品种，小至三五个人的小公司，大至上千人的国企，都有人涉及智能家居的研发和生产。于是，中国就产生了上百个互不兼容的标准，至今还没有哪一个智能家居系统产品能够占领国内智能家居市场的百分之十。由此可见，在技术发展较为成熟今天，推进标准化进程是智能家居系统发展的当务之急[5]。

智能家居是物联网应用领域的重头戏，在国家对物联网发展政策的积极引导下，家电企业、IT企业、安防企业纷纷加大对智能家居的投入，很大程度上推动了智能家居产品的发展。与此同时，智慧城市概念的提出也为智能家居产业的发展注入了新的动力[6]。目前，全国范围内智能家居体验馆如雨后春笋般的建立起来，目的是让用户可以得到身临其境的体验，亲身感受智能家居所带来的便利生活。

2 基于ZigBee技术智能家居系统的开发技术简介

2.1 ZigBee技术

我国将ZigBee译为“紫蜂”，其灵感来源于蜜蜂的八字舞蹈，实现方位信息传递，从而逐渐形成强大的通信网络。ZigBee是一种局域网通信协议。它是基于IEEE802.15.4标准。根据国际标准的规定，它主要用于低功耗、短距离且低传输速率的电子设备中，用来进行各种电子设备之间的数据传输。对于有周期性数据和低反应时间的数据传输设备尤其适用。该项技术主要适合用于信息传递和远程控制领域，可以嵌入各种设备。被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式[7]。

2.2 嵌入式系统

智能家居系统对嵌入式有较强的依赖性。嵌入式系统的特性具体表现在：①具有很强的专用型，是根据用户，产品的实际需求进行使用。②该系统融合了电子技术、半导体技术等多种技术。③其应用过程能够根据软硬件的功能特性进行自主裁剪，有利于降低系统功耗、增强系统稳定性，减少制作成本等优点。在学习嵌入式系统时应从软件、存储器、处理器等方面入手，详细的了解嵌入式系统组成[8]

2.3 智能家居系统的开发技术分析

江煜，许飞云，杨忠，于继明等在“基于ZigBee技术的智能家居系统设计”一文中设计的新型智能家居系统。其硬件系统包括C51开发的ZigBee节点和协调器、Java开发的Android中控机;软件系统包括C语言开发的服务器软件、Web Service和SQL Server数据库[9]。

彭银桥，吴吉在“基于ZigBee技术的智能家居控制系统”一文中设计的智能家居系统主要由STM32上位机和遥控器、Zigbee 协调器以及节点和设备三部分组成。系统初始化时，ZigBee协调器组建网络，ZigBee节点加入网络，加入成功后，会把自己的地址发送给协调器，协调器接收并保存全部节点的地址，以备之后解析地址。用户用遥控器通过红外接头和STM32通信，STM32接收用户命令，通过串口把要操作的节点和命令发送给协调器，协调器接收消息后，判断用户是切换节点还是操作当前节点，再转换成命令消息，并转发相应的消息到对应的节点，节点接收消息并解析消息，从而控制相应的设备[10]。

何勉，许军在“基于ZigBee技术的智能家居系统设计”一文中设计了智能家居系统主要包括ZigBee 无线网络和嵌入式Web服务器，ZigBee无线网络遵循TI公司的ZigBee2007协议栈Z-Stack，采用星型拓扑结构，包括协调器与终端节点。协调器负责组建家庭内部无线网络，接收终端节点发来的传感器数据，通过串口将数据发送给嵌入式Web服务器，并转发服务器的控制命令给终端节点。终端节点采集环境数据通过无线网络发送给协调器，并接收协调器的控制命令并执行。终端节点连接温湿度傳感器、烟雾传感器、热释电传感器、光照度传感器等，用于测量家庭环境数据，连接继电器模块控制家用电器。嵌入式Web服务器设计是在STM32微控制器上移植TCP/IP协议，通过串口与ZigBee协调器通信，通过以太网接口接入监控网络，用户使用电脑、手机等监控设备与终端设备交互[11]。

张媛一，张景全，王春来在“基于ZigBee的智能家居系统设计”一文中设计的智能家居系统主要有三部分：远程终端、PC和家庭内部zigbee网络，系统功能主要集中于家庭内部ZigBee网络，其网络设备采用星形拓扑结构连接家庭各种家庭设备和家庭电器，对家庭内部的安防和电器智能控制有很大的作用。通过连接由 PC 进行信号进行显示和控制，远程终端即是在远端对家庭内部的环境进行查询管理。在本课题中主要是集中于家庭内部 ZigBee 网络，并通过PC 对家庭环境进行检测和简单控制[12]。

综上所述，智能家居系统是中控机通过无线通信技术连接控制器，中控机通过ZigBee技术将信息传送给终端，终端解析后执行指令。每个ZigBee节点可以连接多个设备，包括门禁、窗帘、温度传感器、可燃气体传感器、电视等，大致可以分为以下几个模块：红外控制模块、温湿度控制模块、空气质量监控模块、灯光控制模块等。每个模块互不影响独立工作，模块数据通过ZigBee网络及通信模块传递到控制中心，供用户查看及操作。

3 基于ZigBee技术智能家居系统的设计方案

根据需求分析，本文设计的智能家居系统主要是由四大块组成如图1所示。分别是手机终端控制APP、服务器通信、ZigBee网络、各种终端设备。其中终端设备有：温湿度传感器、光照传感器、气体传感器、人体红外传感器、开关控制模块。网关设备是由CC2530模块和ARM处理器组成。终端设备与网关之间的通信使用ZigBee技术。网关与服务器之间使用Socket技术进行通信，手机APP与服务器之间也是通过Socket技术进行数据的相互访问。最终实现用户使用手机客户端对终端设备的控制。

4 总结

本作者查阅多本文献发现，智能家居系统是目前设计研究的大热门，其中以ZigBee技术为基础的智能家居系统设计占到大多数。智能家居是未来家居的发展方向，所以选择了低成本、低功耗、低复杂度的ZigBee方式组建智能家居网络。智能家居是一个集合系统，包括家庭安防、灯光控制、家电控制、室内环境状况监测和设备控制、远程的视频监控、声音监听、家庭影音系统、紧急求助系统等，本文采用ZigBee技术为核心结合、网关技术和手机终端远程控制APP设计了一种智能家居系统。系统实现了温湿度检测、光照检测、气体检测、人体红外检测、和手机远程控制功能。

参考文献（References）：

[1] 赵虹钧.基于ZigBee技术的智能家居系统的设计[D].上海交通大学，2007.

[2] 叶超辉，杨士元.智能家居网络研究总数[J].计算机应用研究，2001.18（9）：1-6

[3] 王娟.基于ZigBee无线传感网络的智能家居系统设计与实现[D].东华理工大学，2013.

[4] 王琦敏.基于ZigBee无线传感器网络智能家居系统的设计与实现[D].安徽理工大学，2018.

[5] 柳卫林.基于ZigBee技术的智能家居控制系统的设计与实现[D].东华大学，2010.

[6] 吴孟侗.智能家居系统中ZigBee节点的研究[D].哈尔滨工业大学，2008.

[7] 谢世芳.基于ZigBee技术的智能家居设计和应用研究[J].电脑编程技巧与维护，2018.4：149-150，164

[8] 王署光.基于ZigBee技術的智能家居系统设计与实现[J].通信电源技术，2017.34（6）：165-166

[9] 江煜，许飞云，杨忠，于继明.基于ZigBee技术的智能家居系统设计[J].金陵科技学院学报，2017.33（4）：23-26

[10] 彭银桥，吴吉.基于ZigBee技术的智能家居控制系统[J].电子技术与软件工程，2018.8：43-44

[11] 何勉，许军.基于ZigBee技术的智能家居系统设计[J].仪器仪表用户，2017.24（1）：52-55

[12] 张媛一，张景全，王春来.基于ZigBee的智能家居系统设计[J].工程技术研究，2016.8：12-16