基于ZigBee無線技術的智能家居方案

文/鐘依平

隨著社會經濟結構、家庭人口結構以及信息技術的發展變化，人們對家居環境的安全性、舒適性、效率性、透明性提出了更高的要求。同時越來越多的家庭要求家居產品不僅要具備簡單的智能，更要求整個系統在功能擴展、外延以及服務方面能夠做到簡單、方便、輕松、安全。很顯然，我們的家居生活需要改變。

物聯網智能家居與傳統智能家居的區別

傳統意義上一般都認為智能家居是帶來生活品質的提升，其實物聯網型智能家居正在改變這些觀點，最顯著的變化就是實用、方便、易整合。每一個家庭中都存在著各種電器，不管是號稱智能的冰箱、空調還是傳統的電燈、電視一直以來由于標準不一都是獨立工作的，從系統的角度來看，他們都是零碎的、混亂的、無序的，并不是一個有機的、可組織的整體，作為家庭的主人面對這些雜亂無章的電器其消耗的時間成本、管理成本、控制成本通常都是很高的并且是非必要的。

無線物聯網技術的出現，給傳統的智能電器、智能家居帶來了新的產業機會，通過它可以將家中的各種電器通過無線方式非常方便地有機組織起來，形成一個完整的系統，從而可以實現無縫感知并完整管理。這種以前無法想象并深具挑戰性的應用今天一旦使用無線物聯網技術連接就會變得輕松、方便并且非常有趣。這些應用并不僅僅是生活品質的提高，更大程度上可以看作是現代家庭的一種最基本需求。

相比物聯網智能家居，傳統的智能家居不易擴展，靈活性低，兼容性差，升級成本昂貴，維護成本高。

常用智能家居技術介紹及比較

雖然智能家居的概念很早就出現，市場需求也一直存在，但長期以來智能家居的發展由于受制于相關技術的突破，一直沒有得到大規模的應用普及。目前市場存在的智能家居技術介紹如下：

有線方式

這種方式所有的控制信號必須通過有線方式連接，控制器端的信號線更是多得嚇人，一旦遇到問題排查也相當困難。有線方式缺點非常突出，布線繁雜、工作量大、成本高、維護困難、不易組網、擴展性差。這些缺點最終導致有線方式的智能家居只停留在小規模試點階段，無法大規模快速推廣。

無線方式

用于智能家居的無線系統需要滿足幾個特性：低功耗、穩定、易于擴展組網；至于傳輸速度顯然不是此類應用的重點。

目前幾種可用于智能家居的無線方式∶

藍牙：是一種支持設備短距離通信（一般10m內）的無線電技術。能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關外設等眾多設備之間進行無線信息交換。但這種技術通訊距離太短，同時屬于點對點通訊方式，對于智能家居的要求來說根本不適用。

另外需要說明的是藍牙最近推出了4.0標準，這種新標準采用了低功耗設計，通訊距離也達到2.4G無線信號的范圍，但其缺陷依然明顯，安全性、組網能力和抗干擾能力不夠，更沒有網絡自愈功能。藍牙的泄密事件非常普遍，新標準的組網規模一般不能超過300個，同時藍牙很容易被干擾。

WiFi：其實就是IEEE802.11b的別稱，是由一個名為“無線以太網相容聯盟”（Wireless Ethernet Compatibility Alliance, WECA）的組織所發布的業界術語，中文譯為“無線相容認證”。它是一種短程無線傳輸技術，能夠在數百米范圍內支持互聯網接入的無線電信號。它的最大特點就是方便人們隨時隨地接入互聯網。但對于智能家居應用來說缺點卻很明顯，功耗高、組網能力差、安全性低。所以wifi雖然非常普及，但在智能家居的應用中只是起到輔助補充的作用。

315M/433M：這些無線射頻技術廣泛運用在車輛監控、遙控、遙測、小型無線網絡、工業數據采集系統、無線標簽、身份識別、非接觸RF等場所，也有廠商將其引入智能家居系統，但由于其抗干擾能力弱，組網不便，可靠性一般，標準混亂，安全性很低，在智能家居中的應用效果差強人意，泛善可陳，最終被主流廠商拋棄。

ZigBee：Zigbee的基礎是IEEE802.15。但IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議，因此Zigbee聯盟擴展了IEEE，對其網絡層協議和API進行了標準化。ZigBee是一種新興的近程、低速率、低功耗的無線網絡技術，主要用于近距離無線連接。具有低復雜度、低功耗、低速率、低成本、自組網、高可靠、高安全的特點。主要適合應用于自動控制和遠程控制等領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的、低功耗、自組網的近程無線通訊技術。

物聯網背景下智能家居的理解

物聯網一個重要特征就是能夠快速大規模部署并能夠長期穩定運行，這樣的特征就要求我們的家居產品必須具備無線、無縫、綠色、安全、可靠的能力，從這些基本能力來看，傳統的所謂智能家居產品顯然已經不能適應物聯網時代的要求。

ZigBee最初預計的應用領域主要包括消費電子、能源管理、衛生保健、家庭自動化、建筑自動化和工業自動化。隨著物聯網的興起，ZigBee又獲得了新的應用機會。物聯網的網絡邊緣應用最多的就是傳感器或控制單元，這些是構成物聯網的最基礎最核心最廣泛的單元細胞，而ZigBee能夠在數千個微小的傳感傳動單元之間相互協調實現通信，并且這些單元只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個網絡節點傳到另一個節點，所以它的通信效率非常高。這種技術低功耗、抗干擾、高可靠、易組網、易擴容，易使用，易維護、便于快速大規模部署等特點順應了物聯網發展的要求和趨勢。從技術的角度看，物聯網和ZigBee技術在智能家居、健康保健、工農業監測等方面的應用有著很大的融合性，而相對其他無線技術而言，ZigBee以其在投資、建設、維護、標準化（國際HA標準）等方面的優勢，必將在物聯網型智能家居領域獲得更廣泛的應用。

ZigBee與常用無線技術的主要優勢

從組網能力來看，由圖1、圖2、圖3可以看出藍牙、Wi-Fi、315M/433M等無線技術只適用簡單的星型網絡，組網能力有限，不具備網絡修復能力，而ZigBee網絡能夠組成除星型網絡之外的樹狀網和更復雜的網狀網。

從安全性來看，ZigBee具備特有的安全層，采用128K的高級加密技術，具有非常高的安全性。而藍牙、Wi-Fi、315M/433M等無線技術的安全性普遍較差，泄密事件頻發。

從可靠性來看，ZigBee同時采用了跳頻和擴頻技術，有著極強的抗干擾能力，而藍牙、Wi-Fi、315M/433M等無線技術的抗干擾能力一般，特備是315M/433M射頻更容易被空中截碼并很容易被模擬，可靠性很低。ZigBee智能家居邏輯架構圖如圖1所示。

圖1：（藍牙、WiFi、ZigBee適用）

圖2：（ZigBee適用，藍牙、WIFI不適用）

圖3：（ZigBee適用，藍牙、WIFI不適用）

與傳統智能家居相比具有如下特點：

·具有安全層，安全性好，采用高級加密技術，至今在全球沒有破解先例。

·同時采用跳頻和擴頻技術，抗干擾能力強。

·采用經過全球市場多年檢驗的通訊標準，可靠性高。

·自組網能力強，組網規模大，最大網絡可負擔6萬多設備。

·具備網絡自愈能力，任何節點的掉線或崩潰不會影響整個網絡的穩定。

·功耗低，很多傳感器使用普通電池供電可以工作1年以上。

·兼容能力強，可伸縮，采用國際通用的標準協議，可以兼容其它品牌的設備，隨時可擴容擴展。

·全覆蓋，無盲區，具有有線方式無法企及的優勢。

·與云端無縫鏈接，方便管理、溯源和及時感知并控制。

ZigBee智能家居配置方案

作為一個標準的智能家居,不僅要做到舒適、環保、方便，還需要提供更健康和更安全的保證，公寓型智能家居一般需要以下配置：

無線網關。是無線傳感器和無線聯動控制設備的信息收集、控制終端，也是手機和這些家庭設備通信、控制的橋梁。所有傳感、探測器將收集到的信息都通過無線網關傳到授權手機、平板電腦、電腦等管理設備，另外控制命令由管理設備通過無線網關發送給聯動設備。

比如家中無人時門被打開，門磁偵測到有人闖入，則將闖入報警通過無線網關發送給主人手機，手機收到信息發出震動鈴聲提示，主人確認后發出控制指令，電磁門鎖自動落鎖并觸發無線聲光報警器發出報警。

無線云智能鎖。鑰匙和鎖作為一個古老的防范工具已經存在了很多年，傳統機械鎖一直存在著安全系數不高，鎖具采用一些簡易工具就能被輕松打開，鑰匙也很容易被復制的缺點。今天，隨著技術的發展，手機已經成為隨身攜帶的最重要的工具，它不僅是通訊工具，它也可以成為導航工具、支付工具、身份驗證工具，而且它更可以成為每天必用的智能鑰匙。物聯無線云智能鎖可以讓你從此高枕無憂。

丟掉鑰匙吧！下次回家，你只需拿出手機輸入密碼，門會為你自動打開，另外，你再也不用擔心忘帶鑰匙或者忘帶手機，你的家人可以為你遠程開鎖！

對于安全，智能鎖具有更完善的保護機制，任何人開鎖、上鎖、反鎖，你和家人都可以及時掌握。

無線墻面開關/調光開關。該開關可直接取代家中的墻壁開關面板，通過它不僅可以像正常開關一樣使用，更重要的是它已經和家中的所有物聯網設備自動組成了一個無線傳感控制網絡，可以通過無線網關向其發出開關、調光等指令。其意義在于主人離家后無需擔心家中所有的電燈是否忘了關掉，只要主人離家，所有忘關的電燈會自動關閉。或者在你睡覺時你無需逐個房間去檢查燈是否開著，你需要做的只需按下裝在床頭的睡眠按鈕，所有燈光會自動關閉，同時你夜間起床時，燈光會自動調節至柔和，從而保證睡眠的質量。

無線溫度濕度傳感器。主要用于探測室內、室外的溫度、濕度。雖然絕大多數空調都有溫度探測功能，但由于空調的體積限制，它只能探測到出風口空調附近的溫度，這也正是很多消費者感覺感覺其溫度不準的重要原因。有了無線溫濕度探測器，你就可以確切地知道室內準確的溫濕度。其現實意義在于當室內溫度過高或過低時能夠提前啟動空調調節溫度。比如當你在回家的路上，家中的無線溫度濕度傳感器探測出房間溫度過高則會啟動空調自動降溫，等你回家時，家中已經是一個宜人的溫度了。

無線智能插座。主要用于控制家電的開和關，比如通過它可以自動啟動排氣扇排氣，這在炎熱的夏天對于密閉的車庫是一個有趣的應用。當然它還可以控制任何你想控制的家電，只要將家電的插頭插上無線智能插座即可，比如排氣扇、空氣凈化機等等。

無線紅外轉發器。這個產品主要是用于家中可以被紅外遙控器控制的設備，比如空調、電動窗簾、電視、投影機等等。通過無線紅外轉發器，你可以通過手機遠程遙控空調，你也可以不用起床就關閉窗簾等。它可以將傳統的家電立即轉換為智能家電。

云紅外入侵探測器。這個產品主要用于防非法入侵，比如當你按下床頭的無線睡眠按鈕后，關閉的不僅是燈光，同時它也會啟動云紅外入侵探測器自動設防，此時一旦有人入侵就會發出報警信號并可按設定自動開啟入侵區域的燈光嚇退入侵者。或者當你離家后它會自動設防，一旦有人闖入，會通過無線網關自動提醒你的手機并接受你手機發出的警情處理指令。

無線空氣質量探測器。該探測器主要探測臥室內的空氣質量是否混濁，這對于要回家休息的你很有意義，特別是對有嬰幼兒的家庭尤其重要。它通過探測空氣質量告訴你目前室內空氣是否影響健康，并可通過無線網關啟動相關設備優化調節空氣質量。

無線門、窗磁感應器。主要用于防入侵。當你在家時，門、窗磁感應器會自動處于撤防狀態，不會觸發報警。當你離家后，門、窗磁感應器會自動進入布防狀態，一旦有人開門或開窗就會通知你的手機并發出報警信息。與傳統的門窗磁相比，無線門、窗磁感應器無需布線，裝上電池即可工作，安裝非常方便，安裝過程一般不超過2分鐘。另外對于有保險柜的家庭來說，這種傳感器還能夠偵測并記錄下保險柜每次被打開或者關閉的時間并及時通知授權手機。

當然這種無線門、窗磁感應器同樣可用于自動照明等，比如當主人回家開門時，燈光會自動亮起。

無線智能閥門。智能閥門主要用于控制家中的水管，一旦家中漏水，智能閥門會自動關閉以免造成更大的財產損失。

無線床頭睡眠按鈕。這是個可以固定或粘貼在床頭木板上的電池供電裝置，它的作用主要是幫助你在睡覺時關閉所有該關閉的電器同時啟動安全系統進入布防狀態。比如啟動無線紅外防闖入探測器、窗磁、門磁等進入預警布防狀態。另外它也能幫助你啟動夜間的照明模式，比如當你夜間起床時，打開的燈光就會很柔和，而不會像進餐時那么明亮，即使這是同一盞燈。

無線可燃氣泄漏探測器。該探測器主要是探測家中的燃氣泄漏情況，一旦有燃氣泄漏會第一時間切斷燃氣閥門并通知授權手機。

云抽屜鎖。這種傳感器對于放有貴重物品的抽屜很有意義，當抽屜被非法打開，即使你在千里之外，手機也會立即收到報警。另外根據設置，一旦抽屜被打開，信息就會自動保存在物聯云端，即使當時手機處于關機狀態，一旦開機，報警信息就會推送過來，也可以通過手機查詢保存在云端的歷史報警信息。

無線煙霧（火警）探測器。用于探測火災，它可方便地與無線警報設備綁定，自動發出無線觸發信號，啟動警報器。也可以與授權手機或物業相關人員綁定，一旦出現火警會第一時間發出手機通知。

無線光照傳感器。主要用于探測室內光照度，在照度偏低時可聯動調光開關或智能開關自動開啟照明，也可以在陽光強烈時自動關閉窗簾遮陽。

太陽能無線紅外電子柵欄。主要用于圍墻、陽臺等防范非法闖入，這種設備通過太陽能供電，無須布線，安裝靈活。

無線云體重計。體重對于兒童成長、健康維護、疾病溯源有著重要的參考價值，無線云體重計可以幫助家庭成員記錄、保存體重數據。這種體重計可以方便地連接手機，在任何時間任何地點隨時調閱歷史體重資料。

無線自動窗簾。自動窗簾可以根據時間、光照強度、控制命令、情景模式自動打開。

無線緊急按鈕。在遇到緊急情況時按下緊急按鈕，求救信息會立即發送到授權手機、物管中心，同時可以啟動現場警報系統。

無線自動開窗器。自動開窗器可以協助家庭通風、避雨。

無線自動遮陽篷。自動能夠根據陽光強度、雨水等自動伸縮調節，也可通過手機或開光控制。

以上是一個典型的物聯網智能家居系統，當然物聯網帶來的神奇之處在于你可以根據自身的需要自由組合或DIY，所有的安裝都不需要專業人員的參與，一個普通的消費者即可完成，這也是物聯網型智能家居產品與傳統智能家居產品的一個重要區別。

結束語

物聯網型智能家居，讓業主無論身處何地，都可以及時洞悉家中的風吹草動，它可以將風險降到最低，舒適升到最佳，效率達到最優。從此不必擔心外出后忘記了關燈、關門，不用擔心浪費能源和時間，也不必擔心室內空氣污濁，更不必擔心陌生的闖入者，盡可以輕松享受高質量的生活。