ZigBee技術在家居智能中的應用

王加梁

摘 要：今天人們的生活水平和生活質量隨著科技的進步和經濟的發展，而得到了大幅度的提高。因此人們對家庭居住環境提出了更高的要求，希望家居生活更加智能化、人性化。智能家居因此進入了人們的視線。智能家居是一項綜合性的技術，綜合了計算機網絡、數字化以及傳感器等多門學科，同時又融入了人文科學等內容。通過各項先進技術的綜合管理，使得人們的生活更加舒適化、高效節能。家居智能中的控制需要連接許多設備節點，這些設備控制命令較少，但需要長時間在線，所以需要家居智能中的傳感器具有低速、低功耗、壽命長等特點。該文通過對智能家居的簡要介紹，包括智能家居產生背景以及智能家居發展歷程；比較了幾種無線通信技術，詳細介紹了ZigBee技術的特點和優勢；最后對整個家居智能系統的設計作了介紹，并詳細介紹了ZigBee技術在溫度傳感器中的使用。

關鍵詞：ZigBee 家居智能 溫度傳感器

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（a）-0038-02

1 引言

1.1 智能家居簡介

人們的生活水平和質量隨著科技的進步和經濟發展，而得到了大幅度的提高。因此人們對家庭居住環境提出了更高的要求，希望家居生活更加智能化、人性化。智能家居應運而生。智能家居是一項綜合性的技術，綜合了計算機網絡、數字化以及傳感器等多門學科，同時又融入了人文科學等。通過各項技術的綜合管理，使得人們的生活更加舒適化、高效節能。家居智能系統的核心技術是：對于內部家庭的網絡構建以及智能控制。內部的家庭網具有兩種方式進行組網，即無線網絡或者有線網絡。傳統的智能家居系統采用的都是有線網絡的方式，采用綜合布線實現智能家居。但是這種布線使得成本急劇上升，安裝十分復雜。因此人們逐漸轉向無線傳感方面[1]。

家居智能大體上分為兩種類型：家庭的控制網絡以及家庭的數據網絡。家庭的控制網絡能夠使得不同的網絡之間進行數據的傳輸，同時也能夠相互之間進行通信以及網絡等功能。當然這些控制都是低速的，可控制照明燈光、家庭的安防以及應急等實用功能。家居智能中的控制需要連接很多設備節點，這些節點又都需要電池供電。因此，需要家居智能中的傳感器具有低速、低功耗、壽命長等特點。

1.2 智能家居發展歷程

傳統的智能家居都是通過有線的布線方式進行組建的，這樣做固然能夠使得數據傳輸穩定，但是卻帶來了許多問題。人們逐漸采用無線傳感器進行數據傳輸，包括：藍牙、WiFi、紅外以及ZigBee等。這些網絡無線技術的逐漸完善，使得家居智能取得了質的飛躍。

20世紀80年代在美國建成了第一棟智能建筑，智能建筑逐漸有了新的概念。此后世界各國都提出了很多基于家居的智能方案。這些智能家居方案在歐美等發達地區以及日本等的應用十分廣泛[2]。

20世紀90年代末期，新加坡舉辦了活動“98亞洲家庭電器與電子消費品國際展覽會”。在這次展覽大會上，新加坡提出了基于本國的家居智能系統。這個家居智能系統主要是包括了很多實用功能：智能的家庭控制面板、智能的接入寬帶功能、控制家電功能、接入有線電視功能、安防應用以及抄送三表等功能。雖然這些功能在當時只是一個概念，并沒有完全融入人們的日常生活中。但是人們相信隨著科技的發展，家居智能必將服務現代人們，使得人們能夠具有高質量的生活。

2 無線通信技術簡介

2.1 藍牙技術

藍牙是一種短距離的無線通信技術。通過藍牙技術，我們能夠通過無線的方式，使筆記本電腦、移動電話和無線耳機等各種設備間進行信息交換。我們能夠通過藍牙實現數據的傳輸，但是藍牙的連接時間很長，大概需要3～10 s的時間。藍牙技術的數據傳輸速率是1Mbps，主要采用了時分雙工傳輸方案實現了全雙工傳輸。藍牙支持點對多點和點對點的通信，采用了快跳頻以及短包技術和分散式的網絡結構，工作在醫學、工業、科學的2.4 GHz ISM頻段，這個頻段是全球免費通用的[3]。

2.2 WiFi技術

WiFi無線傳輸技術具有快速安全和可靠等優點，能夠使得計算機能夠通過該網絡進行互聯網的連接。WiFi具有很寬廣的覆蓋面積，能夠達到大約100 m。其缺點是電波容易受到干擾，用戶在使用WiFi過程中傳輸的數據容易被竊聽和竊取，用戶的信息安全得不到保證。現在WiFi協議不斷發展，具有各種各樣的安全協議，使得安全性能得到很大提高[4]。

2.3 ZigBee技術

作為一種全新的無線傳輸技術，ZigBee具有功耗低、傳輸速率低等特點。其也是工作在2.4 GHz的頻段范圍內，傳輸的距離可以達到10～75 m，其協議內容同藍牙很相似。但是ZigBee通常都是使用在不需要對數據進行連續傳輸的場合，這是因為ZigBee經常是工作在睡眠模式下。現在世界上有70多個國家加入了ZigBee聯盟。在不同的國家和地區，采用了不同的物理層的頻段：在歐洲地區是868 MHz、在北美是915 MHz和2.4G。ZigBee更加適合應用在低頻率和低傳輸速率的儀器上，這是因為其采用的是星型網絡，主從配合。

2.4 紅外技術

在20世紀90年代初期，世界上20多個廠商聯合建立紅外數據協會。他們將紅外通信的標準進行了統一，這就是紅外技術。紅外技術的初始數據傳輸是4兆波特率，隨著技術的不斷發展，現在的傳輸速率提高了3倍。紅外技術更加適用于點對點的短距離無線傳輸上，這是因為紅外技術采用的近紅外線的波長很短，因此并不能夠穿透物體，或者說在穿透物體時數據會發生偏差。當前紅外技術的應用十分廣泛，技術已經十分成熟[5]。

2.5 射頻設別技術

射頻識別技術，也叫做無線射頻識別技術。該技術是在1990年流行的一種自動識別技術，這種自動識別技術并不需要直接接觸，而是通過射頻的方式進行互相通信。射頻識別的數據傳輸精度很高，同時具有很強的抗干擾能力。正是因為射頻識別技術不需要進行直接接觸，因此在應用的過程中并沒有摩擦，同時也不需要可見光源，因此使用壽命很長，耐久性很好。endprint

3 ZigBee技術

3.1 ZigBee協議

ZigBee協議是定義在IEEE802.15.4協議的基礎上，IEEE802.15.4是一個新興的無線通訊協議，是一種低速的標準。該標準對兩個層次進行了定義：MAC層以及PHY層。MAC層是介質訪問層，其對多個無線的傳輸信號采用何種方式實現頻段共享進行了定義和說明。PHY層是物理層，其對數據的傳輸速率以及網絡的無線頻段進行了定義。然而，只對這兩個層的定義和規范不能解決數據傳輸等所有問題。這是由于即使是在這樣的規范下，世界各生產廠商所生產出來的設備同樣具有兼容性問題[8]。這就需要廠商聯合起來，對使用標準進行定義和規范。因此ZigBee聯盟成立起來，其規定了不同的設備生產廠商進行設備兼容性的問題[7]。

3.2 ZigBee技術的特點

數據傳輸速率低：ZigBee技術的數據傳輸在20～200K波特率之間，可以分成幾個頻段。依據不同的頻段，能夠具有與不同的數據傳輸能力。但是該速度能夠滿足其一般數據傳輸的要求[6]。

功耗很低：ZigBee的功耗很低，兩節5號電池能夠供其在待機時能夠工作半年到2年。

成本低：ZigBee技術的數據傳輸速度比較低，因此具有很簡單的協議，成本也就相應減少了。同時該技術協議是開發的，用戶在使用的過程中并不需要向相關部門提交專利費。

具有較快的響應速度：將其喚醒到工作狀態，所需時間只要15 ms；接入網絡時間也僅需30 ms，節約能量。藍牙接入網絡的時間很長，大概需要3～10 s；WiFi接入網絡也需要3 s的時間。

3.3 ZigBee協議架構

ZigBee的協議相比較上節所提到的無線標準，具有簡單有效的特點。ZigBee的協議在惡劣的環境下也能夠很好地工作，只需要很低的硬件配置就能夠正常工作[9]。ZigBee具有幾個層次的標準，這些標準如圖1所示。

4 硬件系統設計

基于ZigBee技術的家居智能系統設計，傳感器系統有很多，溫度傳感器、火焰傳感器、煙霧傳感器等等，如圖2ZigBee技術在家居智能中的應用。本文簡要介紹其中的一款溫度傳感器的設計與應用。

4.1 硬件系統簡介

圖3為ZigBee家居智能節點硬件示意圖，它由射頻數據模塊、微控制器和外圍設備組成，其外圍設備包括傳感器、執行器、LCD等。

4.2 無線收發器

MC13192是飛思卡爾公司的一款無線收發器。該收發器具有很低的功率消耗，同時工作在2.4 GHz頻段下。MC13192在mesh以及star網絡上應用良好。如果對MC13192加上相應的MCU控制器后，就能夠提供一種合適性價比的數據傳輸方案。

4.3 主控芯片

本文設計的ZigBee智能家居使用的主控芯片是AT89S52單片機。MSC-51單片機是八位的非常實用的單片機。本文所使用的AT89S52單片機就是基于這款單片機的。MSC-51單片機的基本架構被ATMEL公司購買，繼而在其基本內核的基礎上加入了許多新的功能，同時擴展了芯片的容量以及加入flash閃存等等。51內核的單片機具有很多優點，因此無論是在工業上還是在一些電子產品上應用都很多。全球也有許多大公司對其進行擴展，加入新的功能。即使是在今天，51單片機仍然在控制系統中占據很大市場。這款單片機具有最大能夠支持的64 K外部存儲擴展，同時還具有8K字節的Flash空間。該單片機具有4組I/O口，分別是從P0到P3，同時每組端口具有8個引腳。

4.4 液晶模塊

液晶模塊的功能主要是顯示系統的工作狀態。例如，進行信道的能量檢測時，等檢測完畢之后，就可以在液晶上顯示檢測到的當前信道的能量級別；MCU請求發送數據時，數據是否發送成功，若發送成功就可以在液晶上顯示成功，如果發送不成功，則可以根據返回的狀態在液晶上顯示發送不成功的原因。

4.5 溫度傳感器

溫度檢測的方法有很多，比如采用熱電偶等。本文采用的是DS18B20溫度傳感器。該溫度傳感器采用的是one-Wire總線，即只采用一根信號線與單片機進行連接。該測溫傳感器能夠測量-55～125 ℃的溫度范圍，同時分辨率能夠達到0.5 ℃。工作電壓范圍很寬，一般為3.0～5.5 V。

5 軟件系統設計

5.1 總體設計

整個系統的軟件主要可以分成三個層：應用層、協議層以及系統平臺層。系統平臺層提供服務給協議層，這些工作都是同過調用API程序來實現的；協議層是對物理層和ZigBee網絡協議的實現；應用層主要完成傳輸數據等功能。

5.2 溫度測量程序

該論文采用的溫度傳感器是one-wire總線的器件，與主控芯片進行一根數據線連接，就能夠同時實現數據和時鐘信號的雙向傳輸。但是這樣就要求主控芯片的時序必須具有嚴格的要求。在出廠之前，每個器件的ROM上都光刻上64位的編碼，這個編碼地址序列是唯一的，我們可以通過這個編碼地址序列來進行多點的組網。本文所設計的溫度采集系統，在每一個結點只是用一個溫度傳感器，因此在程序中并不需要讀取其ROM編碼。

6 結語

目前在智能家居設備控制已經應用方面各個商家和設備廠商繽紛復雜、百花齊放，對技術的采用和各個系統的融合還存在很大的討論空間。所以本論文在結合ZigBee技術的優點的基礎上討論了其在溫度傳感中的典型應用，以希望此論文能夠拋磚引玉，為我國現代化技術在智能家居智能領域的發展貢獻一點力量。

參考文獻

[1] 王慶云.基于802.15.4協議的ZigBee協議棧實現[D].濟南：山東大學，2001.

[2] 張維勇，馮琳，魏振春.ZigBee實現家庭組網技術的研究[J].合肥工業大學學報，2005（7）.

[3] 方宏，陳星耀.紅外遙控器信號的接收和轉發[J].大連民族學院學報，2004（3）：20-24.

[4] 蔣挺，趙成林.ZigBee紫蜂技術及其應用（IEEE802.15.4）[M].北京：北京郵電大學出版社，2006.

[5] 馬晉興，喬永衛，劉智榮.基于ZigBee技術的無線家庭控制[J].TECHNOLOGY

PLATFORM，2004（11）.

[6] 于海斌，曾鵬，王忠鋒，等.分布式無線傳感器網絡通信協議研究[J].通信學報，2004，25（10）：102-110.

[7] 吳慧敏，成謙.基于802.15.4/ZigBee無線傳感器網絡節點的物理層設計[J].電子產品世界，2006（8）：106-124.

[8] 江虹，劉驪.ZigBee技術在智能家居控制器中的研究[J].云南大學學報（自然科學版），2009，31（S1）：109-113.

[9] 林愷，趙海，尹震宇，等.無線傳感器網絡路由中的能量預測及算法實現[J].通信學報，2006（5）：21-27.endprint