基于ZigBee技術的智能化家居系統設計*

■ 黃萌 余正華 王麗 余歡（安徽財經大學管理科學與工程學院）

隨著科技的發展進步，我們的工作和生活方式也隨之改變，特別是在近幾年，智能家居概念開始走向大眾。如今，80后和90后是市場的消費主流群體，追求智能體驗，熱愛科技產品，他們對家居安全、家居智能的需求日漸增加。在歐美地區，智能家居的使用率已超過50%，而我國僅3%，智能家居市場有著廣闊的發展前景。這幾年，國家陸續出臺相關政策支持發展智慧家庭、智慧城市，在“互聯網+”形勢下對國內傳統產業進行改造，推動信息家電產業的興起。

要實現真正意義上的智能家居生活，即在用戶端實現對家庭情況的監控和控制，必須依靠穩定可靠的無線傳感技術，ZigBee技術的出現，很好的解決了傳統家居分散、獨立等特點。基于ZigBee技術設計出的無線傳感器網絡不僅可以實時通過用戶端進行監控，還可以通過用戶端發出控制指令，控制智能設備的運行狀態。

一、智能化家居系統發展現狀1

在傳統生活中，我們需要自己動手完成各種事情，而智能化家居系統的提出則顛覆了傳統生活觀念，只要輕輕按一下按鈕，甚至不需要動手，通過語音操控，就可以按照自己預想的程序運行，這就是智能家居帶來的舒適、簡潔、便利的生活體驗。1984年，世界上第一棟真正意義上的智能家居在美國誕生，20世紀80年代住宅自動化的概念開始出現，經過長久的發展，外國的智能化家居進程已經取得了很大的進展。一些知名企業如Microsoft、IBM、Samsung等紛紛進軍智能家居行業，智能家居行業從開始的混亂無章到形成統一的標準，國外的企業已經在智能家居方面積累了豐富的經驗，但是由于智能家居價格太高等多種原因導致智能家居普及速度比較緩慢。

我國智能家居行業起步晚，基礎薄弱。進入21世紀以后，隨著通信網絡和互聯網的普及，智能家居概念才出現在國內市場，借鑒其他國家的經驗，經過十幾年的努力，我國智能家居發展也取得了一定的成果，特別是最近幾年房地產行業的迅猛發展和數字化智能時代的來臨，智能家居理念開始深入人心，智能家居開始慢慢滲透到人們的日常生活中。2019年是我國商用5G元年，隨著5G時代的到來，無線通信技術將更加快速、穩定，我國又是個人口大國，而智能家居的使用率只有3%，市場開發潛力巨大。

二、智能化家居存在的問題

國內智能化家居發展歷程較短，智能家居市場還不夠完善，其主要困難集中在產品的研發和推廣上面，具體有以下幾個問題。

（一）市場不規范

智能化家居在國內的發展時間也就十幾年，加上我國人口龐大，市場潛力巨大，家電品類眾多，但智能家居行業還沒有形成統一的標準，家電企業按照各自的標準生產產品，碎片化現象嚴重，產品的兼容性比較差，影響了智能家居的普及。智能家居的關鍵技術還需要提高，產品還不夠成熟。智能家居是集成了家庭中所有的家居產品，所以需要設備執行統一的標準規格，智能家居生產還沒有一個完整的產業鏈，嚴重阻礙了智能化家居的發展。

（二）消費意識弱以及智能家居價格較高

改革開放以來，人民的生活水平得到了很大的提高，截止到2017年，全國人均可支配收入較1978年增長了22.8倍，但是受國內傳統思維影響，人們更愿意把錢花在買房結婚上面，甚至存到銀行，對精神層次的追求還停留在較低的水平，消費觀念落后。智能家居雖然能提供方便、快捷、安全和舒適的環境，但就目前市場來說，一整套智能家居的價格并不便宜，一個普通的智能掃地機器人價格最低也在2000元人民幣以上，而一整套智能家居的價格在30-100萬元人民幣，普通家庭根本負擔不起。

（三）智能家居產品缺乏創新且操作麻煩

現有的智能家居產品較為簡陋、低端，客觀上是由于技術研發難度大，市場標準不規范，主觀上廠商缺乏創新意識和創新能力，設計出的系統比較繁瑣，操作難度比較大，缺乏人性化設計，不適合老年人使用。

國外的智能化家居發展相對較為成熟，其在實用性、環保性和娛樂性上面做的很好，國內智能家居產品還有很長一段路要走，為進一步做好改進，對家居產品功能提出以下幾個方面要求：

家庭安防方面：智能家居可以實時監控家庭環境，一旦出現像非法闖入、火災、瓦斯泄漏和緊急呼救等問題，安防系統就會發出警報，系統進入緊急狀態并通知業主以及消防等相關人員，確保及時準確地處理問題。

智能設備控制方面：根據業主對室內燈光和溫濕度的要求，自動控制調節燈管的光強度和空調的工作狀態，能夠實現與業主的交互式智能控制，通過語音識別技術來實現智能控制。

表1 無線網絡標準比較

三、ZigBee技術概述

Zigbee是一種應用于低速率和短距離下的無線通信技術，主要用于短距離、低功耗且傳輸速率不高的電子器件之間的數據傳輸以及有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸。ZigBee技術的核心部分是IEEE 802.15.4標準，它規定了無線網絡的物理層和MAC層，由于IEEE組織在無線領域的影響，以及TI、ST、Ember、NXP等芯片廠商的推動，該標準成為了無線領域的事實標準。

在無線網絡中，節點之間的距離越大，則相關的設備就越復雜，相應的功耗和成本也就越高，要解決無線網絡問題，高效率的短程傳輸才是最好的解決方案。ZigBee技術采用接力的方式將信息從一個傳感器傳到另一個傳感器，能實現多個傳感器之間的互聯互通，大大提高了無線網絡通信效率。

目前得到實際應用的無線技術有Bluetooth、WiFi、GPRS、ZigBee等，我們對這幾種無線技術進行全方面的分析研究。

通過表格數據分析我們可以得出ZigBee技術主要有以下優勢：

（1）功耗小：由表格數據得知，ZigBee協議的功耗遠遠小于其他無線技術，系統使用兩節5號電池可以維持6~24個月。

（2）成本低：ZigBee協議簡單，使用免費的2.4Ghz頻率。

（3）標準簡單：相較于其余無線網絡技術，ZigBee技術相對簡單，可靠性高。

對于智能家居市場來說，成本大小、功耗高低以及可靠性能是首要考慮的因素。相較于其他幾種無線通信技術，ZigBee技術是最適合作為智能家居無線網絡的標準。

四、基于ZigBee技術搭建智能家居無線傳感器網絡

根據智能家居系統的需求分析，設計出家居系統功能模塊，如圖2所示。

圖1 智能家居系統模塊

由圖1可知，整個系統分為無線傳感器網絡、家居網關、用戶端和web服務器端。無線傳感器網絡是整個系統的核心，負責感知收集家居設備的信息和智能控制其運行狀態。智能家居網關負責接收家居設備通過無線通信發來的數據，同時也可以向傳感器網絡發送控制指令，智能家居網關也可以連接Internet向用戶和web端共享信息和接收用戶的指令。

了解了家居系統的大致體系，現對基于ZigBee協議的無線傳感器網絡進行設計，傳感器節點之間使用具有有功耗低、距離近特點的ZigBee協議作為通信協議組網成無線多跳網絡。家居傳感器網絡節點眾多，每個無線傳感器節點都需要采用相同的硬件設施，連接不同傳感器達到相應的功能，傳感器硬件節點核心處理器芯片采用美國德州公司TI開發的支持ZigBee協議的SoC芯片CC2530，其內部有ZigBee射頻模塊，使得電路設計更加簡單。傳感器節點分為傳感型節點和受控型節點，傳感型節點通過I/O連接不同的傳感器，受控型節點通過I/O連接繼電器模塊，對相關電器進行控制。家居網關接受了所有的節點信息并進行協議轉換，其處理的數據較多，處理器可以采用ARM Cortex-A9 核心的三星 Exynos4412芯片，通過串口連接CC2530模塊，實現與傳感器網絡通信，通過SDIO口連接到Internet，完成內外網的數據信息共享。

五、總結

本文以ZigBee技術為核心，研究了智能家居的發展，國內智能家居市場存在的問題，ZigBee技術概況以及基于ZigBee技術的無線傳感器網絡設計。隨著技術的進步，結合ZigBee無線技術推動智能家居行業的發展，未來的智能家居市場前景廣闊，智能家居的變革也會深層次的影響人們的生活水平，極大的提高人們的生活體驗。