基于ZigBee 无线通信技术的智能家居系统设计

何 鑫

（湖南省建筑设计院有限公司，长沙410012）

0 引言

随着通信技术的发展，智能化进入了人们日常生活中的方方面面。 ZigBee 作为无线通信技术之一，也逐渐得到广泛应用，为人们家居生活的安全性、可靠性、舒适性提供支撑，大幅提升人们的家居生活体验感，使得家居更智能，让智能家居的概念深入人心。 本文将从以下几个方面来论述如何全面、充分利用ZigBee 无线通信技术来实现更优的智能家居系统。

1 ZigBee 无线通信技术

ZigBee 协议是一种双向通信协议，不同于传统通信协议，它是针对低功耗、低传输率的无线网络设计的。 针对现实中的应用需求，一些著名的ZigBee 厂商如摩托罗拉组建ZigBee 联盟，并就无线通信协议中的网络层和应用层给出了相应的协议规范。 2014 年发布了第一个ZigBee 标准。 由于ZigBee 标准的确定，基于ZigBee 的模块及其使用方法也相应发布。

ZigBee 网络是一种高可靠的无线数据传输网络，最多可达65 535 个无线数据传输模块组成一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee 网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75 m 进行无限扩展。每个ZigBee 网络节点不仅本身可以作为监控对象（例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控），还可以自动中转其他网络节点传过来的数据资料。 除此之外，每一个ZigBee 网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。

ZigBee 无线通信技术传输距离短、传播速率低、易产生延时。 其主要特点是功耗、成本低，组网能力强，能支持多种网络拓扑，可进行数据双向传输。由于其成本低，适合大规模推广应用，它的这些特点与智能家居系统的需求无缝贴合。

2 基于ZigBee 传输的智能家居

智能家居系统主要有三部分组成：以传感器技术为核心的智能终端、中央控制器和用户控制终端。

智能家居的传感器终端为ZigBee 模块，可以将其称为信息采集节点，使用支持ZigBee 协议的芯片对传感器进行信息采集和控制。

中央控制器同样使用支持ZigBee 协议的芯片，称为汇聚节点，用于接收信息采集节点发送的数据或者主动发送数据用于对信息采集节点进行控制，两者之间使用ZigBee 技术进行无线通信。

用户控制终端包括电脑和手机设备，汇聚节点将采集到的信号通过以太网发送到网络服务器，用户根据需要可以通过网页方式进行主动查看或者通过手机微信公众号的方式进行推送；同时汇聚节点内置GPRS 芯片，遇到紧急异常情况（如燃气泄露、火灾情况等）可以通过手机短信发送给预先设置好的手机号。

如表1 所示，为几种短距离无线通信技术的比较情况。

几种短距离无线通信技术的比较 表1

ZigBee 采用Mesh 网络，组网方式为网状组网，每一个网络节点之间都可进行数据传输，最大能支持超过一百个网络节点，当网络传输链路中某个路由节点出现故障或者被移除时，网络能够自动寻找其他路由完成通信，确保节点之间的通信线路通畅。 在该网络中，智能网关是核心，其他子系统与智能网关进行无线连接，通过网关发送和接收数据。

物联网云端的设备数据信息经过家庭网络的路由设备与ZigBee 智能网关进行连接通信，如图1所示，用户在手机APP 可通过云端远程查看、控制设备数据和状态。

图1 智能家居Mesh 网络架构

3 ZigBee 智能家居系统设计方案实例

目前住宅精装交房比例日趋增加，精装房根据室内主要功能区的分布，并结合业主的家庭人员构成，可设置不同的智能家居子系统，如图2 所示，需要把握的原则是实用节能、操作方便、居住安全、生活舒适。

入口玄关为进屋主要通道，主人进门后，灯光自动亮起，人走后，灯光自动关闭，设计采用ZigBee门窗磁设备，安装在门上，将开门动作与灯光联动，形成一个小的灯光自动照明系统。 同时，玄关作为居家安防的重要通道，采用红外入侵探测器，在离家时开启布防模式，当有非法进入时，能触发红外入侵探测器的报警功能，联动室内的声光报警系统，主人手机同时收到入侵报警通知短信。

厨房是室内较为复杂的环境空间，涉及到水、火、气、电等，有危害人身安全的隐患之处，应主要考虑安全防护，通过ZigBee 协议的水浸监测器、烟感监测器、燃气监测器、智能插座面板等产品，来构建厨房的安全防护屏障。

图2 某户型智能家居设备室内分布图

水浸监测主要用在厨房有水经过的角落，一旦有水外漏出，将触发水浸的探测针，及时发出报警通知，通过手机APP 端接收报警信息；烟感监测器主要是探测浓烟环境，一般安装在厨房顶部作为整个空间的监测点，有物体燃烧后发出浓烈烟雾时，烟感探测设备就能发出报警通知；可燃气监测器用于可燃气体监测，吸顶安装在气源正上方1.5m 以外、3m 以内，确保监测范围能够覆盖气体外漏的核心区域，一旦发生燃气泄漏，燃气检测器就发出报警信息，家庭成员手机APP 就会收到短信通知；厨房大功率的电器设备多，用电能耗高，用电安全问题较为敏感，若将微波炉、电热水器、电磁炉等用电量大的设备由ZigBee 无线智能插座控制，当出现漏电情况时，远程使用手机APP 将其关闭断电。 另外，在家人外出忘记关闭电热水器等设备时，也可远程使用手机APP 将其关闭，节约用电，确保安心出行游玩。

表2 所示为ZigBee 智能家居系统设计点位分布。

智能家居点位表 表2

餐厅主要考虑用餐环境的舒适，让家庭成员或到访客人形成一种比较和谐的用餐氛围，这种氛围的营造就需要对灯光亮度进行调节，ZigBee 无线调光面板可以控制调节灯光的明暗度，形成一种明亮适足的光照环境，同时，通过场景化的设置可以一键将灯光、音乐等组合起来，形成一键开启，在用餐同时还有舒缓的背景音乐播放。

客厅主要考虑接待、娱乐和展示三大功能，部分客厅还兼有临时用餐、阅读等附属功能。 从智能家居系统考虑，客厅需要灯光环境的不同氛围营造及控制、空气质量和室内环境的温湿度控制，这同时也是智能交互系统的重点区域，采用ZigBee 无线调光面板实现灯光亮度的调节控制。当客人来访时，灯光亮度值较高，让整个空间环境较为明亮，给人创造一种明亮欢快的光线环境；当需要观看电视和电影时，较高的光线亮度会影响人们的观看体验，这时通过ZigBee 无线调光面板将光线亮度调低，形成微光环境，免除高亮度环境的干扰。

环境温湿度控制系统采用ZigBee 无线环境监测器，可以检测室内空气质量，包括PM2.5、温湿度等。 当PM2.5 的检测数值高于检测数据阀值时，设备就会报警，同时与新风设备联动开启运行，将室内空气进行优化改善。

客厅是一个家庭交流互动的中心点。 ZigBee 智能语音交互系统使用语音互动操控，可使用语音实现开关灯、窗的开闭等，内置语音节目，如歌曲、相声小品、儿童节目等。

卧室主要考虑灯光环境控制和温湿度控制，ZigBee 无线开关面板可将灯具设备连接实现手机APP 远程控制，卧床也可将灯光关闭，ZigBee 温室监测器实时对房间进行温室检测，联动控制空调自动开启运行或关闭，保证室内温度舒适。 还可联动室内安防设备（如红外入侵检测、门窗磁探测等），通过手机APP 开启睡眠场景模式，室内安防设备自动开启布防状态。

以上是基于一套典型住宅户型，在主要功能区域，通过生活场景的详细分析，利用ZigBee 无线技术进行智能家居系统的方案设计。 显然，通过设置智能家居系统将大大提升居家的安全、舒适、便利性，改变传统的生活方式。

4 智能家居技术存在的问题和未来展望

智能家居领域目前仍旧处于发展阶段，越来越多的新技术手段不断加入，特别是5G 和区块链的新技术出现，必将会带来智能家居领域一次大的飞跃，将更加完善贴合地服务人们家居生活。

高速率和低延时的5G 传输特性，可以将家庭内的设备数据迅速收集和传输到云端服务器，如家庭成员的出入数据、睡眠休息数据，通过智能家居设备采集后上传至小区物业的安保处和医疗康复机构，通过大数据的分析判断来给出预测的结果，如果家庭成员出入数据出现异常点，通过5G 传输可以实时截取查看异常点的画面，提供更好的预防方案，医疗康复机构可以根据家庭成员的作息数据分析家庭成员最近的身体状况，针对医疗康复手段采取更加精准有效远程治疗方案。 随着5G 技术的不断成熟和深入，家庭成员的各项数据通过智能家居设备的全方面采集处理和高速低延时的传输，每一个家庭成员都将有一个自己的数据库，一旦出现异常数值可以迅速通过5G 传输，告知相关人员和管理机构。

5 结束语

本文通过对ZigBee 无线通信技术与其他技术的分析和对比，论述了其作为智能家居系统组网技术的优势，并结合家居室内各功能用房的特点和居住需求，如何将智能家居覆盖到各用房和各个生活细节中去进行了详细论述。 未来，随着5G 高速率低延时的数据传输和区块链去中心化的安全验证技术，智能家居系统将越来越普及和可靠。 但技术也是一把“双刃剑”，在给人们带来便利的同时，也带来了危机和未知风险，其中数据安全和隐私保护成为人们最关心的话题，如何保证设备采集上传的数据不被入侵盗取甚至篡改数据值呢？ 区块链技术可否通过去中心化和链上所有成员的验证通过，确保数据不会被盗取和篡改呢？ 这些都是未来需要进一步研究和探讨的课题。