對基于ZigBee物聯網智慧家居系統的設計與實現探討

高小明

摘要：ZigBee物聯網為智能家居系統設計所依靠的關鍵技術，對系統設計人性化水平的提高，及人機交互的實現，具有重要的價值。本文首先分析了ZigBee物聯網，基于此，從傳感器、智能網關及健康平臺3方面入手，闡述了系統的設計方案。并以燈光、電機、遙控及健康管理等為例，對系統功能的實現方式進行了探討。通過對模擬測試結果的觀察，證實了系統的應用價值。

關鍵詞：ZigBee；物聯網；智慧家居系統

近些年來，隨著網絡技術發展水平的提高，智能家居系統逐漸產生，為人們生活質量的提高提供了路徑。智能家居功能的實現，對網絡傳輸質量的要求較高。ZigBee指基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議，是一種短距離、低功耗的無線通信技術。將其應用到智能家居系統的設計中，可有效增強系統功能。因此，對該技術的應用方法加以研究較為必要。

1 ZigBee局域網的優勢

ZigBee局域網的優勢，主要體現在功耗低、節點支持量大等方面，與其他無線網絡對比，具有明顯的優勢。從網絡大小及成本方面分析，GPRS的網絡大小為1、WiFi為32、藍牙為7、ZigBee最高可達65000。四者之中，以ZigBee局域網的成本最低，可靠性最強[1]。可見，與WiFi等技術相比，采用ZigBee局域網設計智能家居更加具有可行性。

2 ZigBee物聯網智慧家居系統的設計

基于ZigBee物聯網智能家居系統的設計方法如下：

2.1 傳感器設計

（1）硬件設計：傳感器硬件包括電源、數據采集模塊及無線收發模塊3部分。其中電源由可移動電源與不可移動電源2部分組成。數據采集模塊的功能，需依靠模塊傳感器而實現，包括人體監測傳感器及溫度傳感器等。無線收發模塊的功能，需依靠射頻芯片而實現。本課題所應用的芯片，以TI及Jennic為主，TI包括CC2420及CC2430等多種功能，Jennic則可支持JN5152的實現[2]。（2）軟件設計：ZigBee軟件由數據采集軟件、智能網關、網絡管理軟件等構成，拓撲結構為Star結構及Cluster結構。前者具有結構簡單的優勢，但數據鏈路僅包括1條。后者結構則相對復雜。采用兩種方式設計，可有效提高網絡傳輸質量。

2.2 智能網關設計

（1）硬件設計：智能網關電源由TI電源管理芯片UCC28710DD所控制，輸出電壓5V，開關電流2A；網絡數據的發出與接收，可借助WiFi而完成；硬件芯片型號為RT5350WiFi，CPU內核為MIPS 24Kc；智能網關具有LED顯示功能，使用者可利用WiFi調整LED燈管的工作狀態，進而實現對智能家居的自動化控制。（2）軟件設計：智能網關可使用的路由系統，包括OpenWrt、DDWrt及Tomato三種，前者具有使用簡單、數據傳輸質量高的優勢，因此本課題將OpenWrt選擇為了主要的路由系統。OpenWrt編輯工具為Vim、版本系統Git，系統運行的可靠性較強，應用價值較高。

2.3 監控平臺設計

監控平臺終端通常為智能硬件設備，如智能手機或電腦等，本課題所設計的監控平臺，可供兩種設備同時在線監測。以Android操作系統的智能手機為例，平臺的設計方法如下：（1）開發工具：Ant+JDK或Eclipse+ADT均符合系統的開發需求，但后者使用方法更加簡單，因此本課題考慮采用Eclipse+ADT工具進行設計。（2）模塊構成：監控平臺由Socket通信模塊及用戶登錄模塊構成。以后者為例，系統運行期間，用戶隨時可經終端登錄至監控系統，進入監控畫面主界面，通過輸入用戶名+密碼的方式，與監控平臺相連接。在此基礎上，觀看監控圖像。

3 ZigBee物聯網智慧家居系統實現及測試

3.1 ZigBee物聯網智慧家居系統實現

ZigBee物聯網智慧家居系統可實現對燈光、電機、家電等的控制，同時還具有安全預警及健康管理的功能。上述不同功能的實現方法不同。以燈管控制功能為例：智能家居燈光控制系統，共包括開關控制與燈光接入兩大子系統。用戶可采用遙控裝置，實現對光源亮度、開關以及場景模式的調整。如用戶未處于家庭內部，還可通過手機WAP或電話等方式，遠程遙控，實現對燈光的控制。采用上述方法設計，能夠有效提高光源的控制效率，且可達到節能、環保的效果。除此之外，用戶還可經監控平臺，實現對家庭內部的監控。當家庭被其他人員非法入侵時，系統可實現自動報警，并經監控平臺，將畫面顯示在智能終端中，以供用戶查看。

3.2 系統性能測試

以智能家居系統的安全預警功能為例，對系統性能進行了測試：

3.2.1 測試平臺

本課題所設計的測試平臺，共由傳感器、攝像頭及家庭網關3部分構成。傳感器中，人體感應模塊為重點模塊。人體感應模塊直流電壓4.5V～20V。觸發方式包括L與H共兩種，L為不可重復觸發，H為重復觸發，感應角度處于100°以下。當室內溫度處于15℃～70℃之間時，傳感器均可正常工作。

3.2.2 測試結果

攝像頭安裝并啟動完成后，工作人員通過模擬外來人員非法入侵場景的方式，對智能家居安全預警功能的性能進行了測試。結果顯示：當外來人員非法入侵后，系統可在2s內，自動實現預警，并立即通過手機短信的方式，提醒居住者室內有風險發生。居住者可通過Android操作系統的智能手機，調取監控畫面，觀看室內狀況，同時，通過報警的方式，保護家庭的財產安全。

4 結論

綜上所述，本文以ZigBee物聯網為基礎所設計的智能家居系統，具有燈光控制、電機控制、家電控制及安全預警等多種功能，能夠有效提高人民生活的智能化水平。有關領域可將傳感器、智能網關及監控平臺的設計作為重點，利用ZigBee技術，設計智能家居系統，以提高自身生活的便利性，提高家庭財產的安全性。

參考文獻：

[1]李天杰，姚程，曹筱歐，魏智博.一種基于物聯網技術的智慧家庭能源中心的設計與應用[J].自動化與儀器儀表，2016，（11）：241242.

[2]肖忠祥，戎騰學，范鵬召.基于ZigBee和Arduino開源平臺智能網關的設計與實現[J].電腦知識與技術，2016，12（07）：252254.