ZigBee技术在智能家居系统中的应用研究

2021-01-25赵彦

通信电源技术 2020年18期

赵彦

（陕西交通职业技术学院，陕西西安 710018）

1 智能家居研究现状

家电行业的发展主要集中在机械控制和电气控制。20世纪70年代以来，随着电子技术的发展，家用电器进入电子控制模式。20世纪80年代，出现了微机控制家用电器。随着计算机技术、信息技术以及网络技术的飞速发展，人们希望家电能够跨越机电控制、电子控制以及智能控制等技术环节，可以通过网络获取信息，为人们提供前所未有的强大功能，从而发展成为新一代家用电器。

智能家居（Smart Home，Home Automation）集成了家庭生活相关设施，采用综合布线技术、网络通信技术、安全技术、自动控制技术以及音频技术高效建立住宅设施和家庭调度管理系统，提供便利、舒适、艺术且环保节能的生活环境。另外，从不同层面进行分析，智能家居未来的发展趋势是产品的研发和生产水平。经过近几年的发展和积累，智能家居系统已经逐渐趋于成熟。当然，除了产品的不断推陈出新，在研的很多个性化家居方案设计都可以满足客户的个性化需求。结合当前通信电子制造业等科技的相互交错和渗透，预计智能家居行业在未来3～5年将进入快速增长期。

2 ZigBee技术

随着科学技术的进步，智能家居开始由不温不火的“概念”转变为“产品”，无线通信技术是最大的贡献者之一。随着无线通信技术的发展，智能家居已经从有线通信发展到无线通信，WiFi、Z-wave、蓝牙以及ZigBee共4种无线通信技术逐渐成为主流应用技术。ZigBee技术与其他无线通信技术相比，具有成本低、功耗低、网络容量大、安全可靠以及工作频段灵活等诸多优势，使得其在激烈的竞争中脱颖而出。

ZigBee这个词源于蜜蜂发现花粉位置时，通过舞蹈达到彼此交流信息的目的。人们将这种类型的动作比作短程无线通信技术[1]，它是由ZigBee联盟和IEEE802.115.4工作组共同制定的通信协议标准，其主要特点有。

2.1 低功耗

由于ZigBee传输速率低，发射功率仅为1 mW，因此采用ZigBee技术的设备效率相对较高。粗略估计，仅靠两节5号电池就可以供ZigBee设备运行6～24个月。

2.2 成本低

ZigBee模块的初始成本约为6美元，但随着技术应用不断成熟，预计很快会下降至1～2美元，并且ZigBee协议将免费使用，因此ZigBee技术的实现成本较低。

2.3 时延短

ZigBee响应速度较快，一般从睡眠状态转入工作状态只需15 ms。节点连接进入网络只需30 ms，而蓝牙需要3～10 s，WiFi则需要3 s，因此进一步实现了节省电能。

2.4 网络容量大

星型ZigBee网络最多可同时容纳1个主设备和254个从属设备，同时该区域内最多可存在100个ZigBee网络，网络配置相对灵活。

2.5 可靠性

采用避免冲突策略为固定宽带通信业务预留专用时隙，避免竞争和数据传输发生冲突。MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个传输的数据包必须等待收件人的确认信息。

2.6 安全性

ZigBee提供基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了加密算法，各个应用可以灵活确定其属性。

这种新型双向无线通信技术因其特有的距离短、功耗低以及复杂度低等特点，而广泛应用于各种电子设备间的数据传输，如传输和周期性数据的典型应用，间歇数据传输等。这种低速无线通信技术更接近人们的日常生活，能够满足工业、家庭以及医疗应用的实际要求。同时，采用ZigBee技术进行通信，不仅可以向设备发送命令，还可以反馈执行状态，这对终端体验非常重要，尤其是安全设备体验。此外，ZigBee技术采用低功耗设计，理论上电池可以使用10年以上，达到节能环保的目的。

3 ZigBee组网形式

ZigBee的典型组网方式包括点对点通信、点对多点串口通信以及点对多点ZigBee+GPRS网络通信。

3.1 点对点通信

点对点通信拓扑如图1所示。

图1 点对点通信拓扑图

比较常见的是两台PCL之间的通信，使用F8914 ZigBee无线终端代替RS 485或232的有线连接。举个简单的例子，当两个ZigBee节点进行点对点通信时，ZigBee节点1发送“hello”字符串，发送成功后节点上的发光二极管闪烁。ZigBee节点2接收该数据，并判断接收数据，正确则发光二极管闪烁。

3.2 点对多点串口通信

点对多点串口通信的拓扑结构是本地控制端PC服务器收集数据表。除智能电表外，还可以连接各种类型的传感器，如温度传感器、压力传感器、氧传感器传感器以及各种从站PCL等。F8914终端设备可以用8913D（可嵌入各种类型的传感器）等小模块替代。点对多点串口通信拓扑如图2所示。

图2 点对多点串口通信拓扑图

3.3 点对多点ZigBee+GPRS网络通信

点对多点ZigBee+GPRS网络通信拓扑结构为嵌入式模块充电堆栈。数据通过通信网的网关传输到云管理平台，也可以通过本地RS232/485串口获取。充电位置可被各类小型传感器，如温度/湿度传感器和灰尘传感器等，或由MCU等控制的自动化设备替代。点对多点ZigBee+GPRS网络通信拓扑结构如图3所示。

4 ZigBee技术在智能家居中的应用

信息技术与网络技术的快速发展，使得人们对居住的理念发生了变化，通过ZigBee技术实现智能家居系统能够很好满足人们追求生活细节的简单化和智能化的需求[2]。ZigBee网络由协调器节点创建，协调器节点必须是完整的设备。网络建立过程主要是将网络协调器连接到网络和其他节点的初始化。如果ZigBee网络中只有一个协调器和一个节点，则在实际中的意义不大且不具备应用价值。为了实现具体的应用，ZigBee网络允许加入更多的节点。

图3 点对多点网络通信拓扑图

智能家居系统的最终目的是能够智能控制家用电器，以方便人们的日常生活。因此，如何准确控制特定家用设备是智能家居系统研究的重点之一。智能家居系统中能实现室内灯光开启、强度控制以及室内温度和湿度测量等。ZigBee网络由协调器节点和多个终端设备节点组成，这里的设备是指在智能家庭系统中的控制设备，而不是ZigBee网络中的设备。对用户来说，并不关心设备的地址，而只关心控制的设备。通过受控设备的逻辑定位，用户可以使用该系统识别正在操作的对象。ZigBee技术在智能家居中的典型应用有以下两种。