基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)研究綜述

李東林 古麗米拉·克孜爾別克

摘? 要： 智能家居是利用移動(dòng)通信、遠(yuǎn)程控制、可控傳感器等技術(shù)對(duì)家居進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，構(gòu)建全面的家居管理系統(tǒng)。智能家居利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中的各類(lèi)家居集成到一起，提供便捷安全的家用電器控制、燈光控制、窗簾控制、安防控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、暖通控制、紅外轉(zhuǎn)發(fā)等多種功能。ZigBee通信技術(shù)具有復(fù)雜度低、體積小、能耗少、成本低等特點(diǎn)，是智能家居內(nèi)部組網(wǎng)的首選。文章介紹了基于ZigBee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

關(guān)鍵詞： 智能家居; 紅外遙控技術(shù); ZigBee; 傳感器; 遠(yuǎn)程控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1006-8228（2019）06-23-04

Abstract： Smart home uses mobile communication， remote control， controllable sensors and other technologies to monitor and control the home remotely， build a comprehensive home management system. Smart home uses network communication technology and Internet of Things technology to integrate all kinds of home equipment together， providing convenient and safe household appliances control， lighting control， curtain control， security control， environmental monitoring， HVAC control， infrared forwarding and other functions. ZigBee communication technology has the characteristics of low complexity， small size， low energy consumption and low cost， so it is the first choice for smart home internal networking. In this paper， a design scheme of smart home control system based on ZigBee technology is introduced.

Key words： smart home; infrared remote control techniques; ZigBee; remote control

0 引言

隨著生活水平的提高及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對(duì)于生活品質(zhì)的追求越來(lái)越高。以往的“半智能”家電已不能滿(mǎn)足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰暾南到y(tǒng)化智能家居設(shè)計(jì)方案一經(jīng)推出便得到了廣大消費(fèi)者的青睞。智能家居是以家庭住宅為核心，利用遠(yuǎn)程控制技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化的家居生活。智能家居最主要的特點(diǎn)是智能化，即在普通家居的功能基礎(chǔ)上引入控制器，使其不僅具有傳統(tǒng)家居的功能，還具有信息傳遞、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制以及當(dāng)家居環(huán)境出現(xiàn)異常時(shí)自動(dòng)報(bào)警并將信息實(shí)時(shí)發(fā)送給用戶(hù)等功能。本項(xiàng)目基于ZigBee通信，將普通手機(jī)作為智能家居系統(tǒng)的中控機(jī)，設(shè)計(jì)一款新型的智能家居控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)遠(yuǎn)程控制家庭的窗簾、電燈、電器、門(mén)禁等。該系統(tǒng)不但可以提高用戶(hù)的生活質(zhì)量，也可節(jié)約生活費(fèi)用成本，降低用戶(hù)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

1 智能家居的發(fā)展概況及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 智能家居的發(fā)展概況

智能家居的概念很早便被提出了，但是一直都沒(méi)有具體的實(shí)施方案。直到1984年美國(guó)聯(lián)合科技公司將建筑設(shè)備進(jìn)行信息化、整合化。這項(xiàng)設(shè)計(jì)應(yīng)用于美國(guó)康乃迪克州哈特佛市的一座舊式大樓的改造，聯(lián)合科技公司采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)大樓的空調(diào)、電梯、照明等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，并提供語(yǔ)音通信等方面的信息服務(wù)，至此首棟智能型建筑誕生，也揭開(kāi)了智能家居發(fā)展的序幕。此后，美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)于1988年編制了第一個(gè)適用于家庭住宅的電子設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即：《家庭自動(dòng)化系統(tǒng)與通訊標(biāo)準(zhǔn)》，也有稱(chēng)之為家庭總線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn);我國(guó)也在 1997 年初開(kāi)始制定《小康住宅電氣設(shè)計(jì)（標(biāo)準(zhǔn)）導(dǎo)則》。在“導(dǎo)則”中規(guī)定了小康住宅小區(qū)電氣設(shè)計(jì)總體上應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：高度的安全性;舒適的生活環(huán)境;便利的通訊方式;綜合的信息服務(wù);家庭智能化系統(tǒng)。同時(shí)也對(duì)小康住宅與小區(qū)建設(shè)在安全防范、家庭設(shè)備自動(dòng)化和通訊與網(wǎng)絡(luò)配置等方面提出了三級(jí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，即：第一級(jí)為“理想目標(biāo)”;第二級(jí)為“普及目標(biāo)”：第三級(jí)為“最低目標(biāo)”[1]。

1.2 國(guó)外智能家居的發(fā)展現(xiàn)狀

1984年美國(guó)在哈特福德市建成了世界上第一幢智能化大廈，世界上的經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)紛紛加入智能家居開(kāi)發(fā)中來(lái)，提出了不同的智能家居構(gòu)建方案。經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，智能家居在美國(guó)、德國(guó)、新加坡、日本等國(guó)都廣泛的應(yīng)用開(kāi)來(lái)[2]。20世紀(jì)末在新加坡舉辦的“亞洲家居電器與電子消費(fèi)品國(guó)際展覽會(huì)”上，“未來(lái)之家”首次出現(xiàn)在人們面前，其中的家居智能系統(tǒng)也隨之在世人面前亮相。在新加坡有近30個(gè)住宅小區(qū)采用了“智能家居系統(tǒng)”。美國(guó)已有近40000戶(hù)家居安裝并使用了這款系統(tǒng)。伴隨著信息產(chǎn)業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，家庭智能化改造的成本費(fèi)用也在不斷降低。目前，在全球范圍內(nèi)，涉足計(jì)算機(jī)行業(yè)、家電行業(yè)以及通信等行業(yè)的公司都把目光集中在智能家居的發(fā)展上，紛紛進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域。如硅谷智能化家居服務(wù)技術(shù)也成為其投資和研發(fā)的熱點(diǎn);三星公司2003年在中、韓兩國(guó)同時(shí)推出了智能家居系統(tǒng)，該公司通過(guò)機(jī)頂盒和網(wǎng)絡(luò)，把家居自動(dòng)控制、家電安防設(shè)備、娛樂(lè)和信息傳遞中心這四部分集成一個(gè)全面的、面向互聯(lián)網(wǎng)的智能化家居設(shè)計(jì)。因此，總體而言，國(guó)外的智能家居技術(shù)已經(jīng)日趨成熟并達(dá)到了一定的水平[3]。

1.3 國(guó)內(nèi)智能家居的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)智能家居產(chǎn)品的研發(fā)從上世紀(jì)九十年代后期才起步，較國(guó)外的發(fā)展來(lái)說(shuō)起步很晚，在整體水平上也參差不齊，軟硬件功能較差，升級(jí)能力差，系統(tǒng)維護(hù)困難，大都采用了有線通信技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，布線成本較高。基于無(wú)線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)目前還出于試驗(yàn)階段，很多廠商對(duì)該產(chǎn)品的核心技術(shù)并不擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。國(guó)內(nèi)的智能家居控制系統(tǒng)產(chǎn)品很多，據(jù)估計(jì)有數(shù)百個(gè)品種，小至三五個(gè)人的小公司，大至上千人的國(guó)企，都有人涉及智能家居的研發(fā)和生產(chǎn)。于是，中國(guó)就產(chǎn)生了上百個(gè)互不兼容的標(biāo)準(zhǔn)，至今還沒(méi)有哪一個(gè)智能家居系統(tǒng)產(chǎn)品能夠占領(lǐng)國(guó)內(nèi)智能家居市場(chǎng)的百分之十。由此可見(jiàn)，在技術(shù)發(fā)展較為成熟今天，推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程是智能家居系統(tǒng)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急[5]。

智能家居是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域的重頭戲，在國(guó)家對(duì)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展政策的積極引導(dǎo)下，家電企業(yè)、IT企業(yè)、安防企業(yè)紛紛加大對(duì)智能家居的投入，很大程度上推動(dòng)了智能家居產(chǎn)品的發(fā)展。與此同時(shí)，智慧城市概念的提出也為智能家居產(chǎn)業(yè)的發(fā)展注入了新的動(dòng)力[6]。目前，全國(guó)范圍內(nèi)智能家居體驗(yàn)館如雨后春筍般的建立起來(lái)，目的是讓用戶(hù)可以得到身臨其境的體驗(yàn)，親身感受智能家居所帶來(lái)的便利生活。

2 基于ZigBee技術(shù)智能家居系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 ZigBee技術(shù)

我國(guó)將ZigBee譯為“紫蜂”，其靈感來(lái)源于蜜蜂的八字舞蹈，實(shí)現(xiàn)方位信息傳遞，從而逐漸形成強(qiáng)大的通信網(wǎng)絡(luò)。ZigBee是一種局域網(wǎng)通信協(xié)議。它是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，它主要用于低功耗、短距離且低傳輸速率的電子設(shè)備中，用來(lái)進(jìn)行各種電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于有周期性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備尤其適用。該項(xiàng)技術(shù)主要適合用于信息傳遞和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工控場(chǎng)合的無(wú)線方式[7]。

2.2 嵌入式系統(tǒng)

智能家居系統(tǒng)對(duì)嵌入式有較強(qiáng)的依賴(lài)性。嵌入式系統(tǒng)的特性具體表現(xiàn)在：①具有很強(qiáng)的專(zhuān)用型，是根據(jù)用戶(hù)，產(chǎn)品的實(shí)際需求進(jìn)行使用。②該系統(tǒng)融合了電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)等多種技術(shù)。③其應(yīng)用過(guò)程能夠根據(jù)軟硬件的功能特性進(jìn)行自主裁剪，有利于降低系統(tǒng)功耗、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少制作成本等優(yōu)點(diǎn)。在學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)時(shí)應(yīng)從軟件、存儲(chǔ)器、處理器等方面入手，詳細(xì)的了解嵌入式系統(tǒng)組成[8]

2.3 智能家居系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)技術(shù)分析

江煜，許飛云，楊忠，于繼明等在“基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)”一文中設(shè)計(jì)的新型智能家居系統(tǒng)。其硬件系統(tǒng)包括C51開(kāi)發(fā)的ZigBee節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器、Java開(kāi)發(fā)的Android中控機(jī);軟件系統(tǒng)包括C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的服務(wù)器軟件、Web Service和SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)[9]。

彭銀橋，吳吉在“基于ZigBee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)”一文中設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)主要由STM32上位機(jī)和遙控器、Zigbee 協(xié)調(diào)器以及節(jié)點(diǎn)和設(shè)備三部分組成。系統(tǒng)初始化時(shí)，ZigBee協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)，ZigBee節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，加入成功后，會(huì)把自己的地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收并保存全部節(jié)點(diǎn)的地址，以備之后解析地址。用戶(hù)用遙控器通過(guò)紅外接頭和STM32通信，STM32接收用戶(hù)命令，通過(guò)串口把要操作的節(jié)點(diǎn)和命令發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收消息后，判斷用戶(hù)是切換節(jié)點(diǎn)還是操作當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，再轉(zhuǎn)換成命令消息，并轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)的消息到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)接收消息并解析消息，從而控制相應(yīng)的設(shè)備[10]。

何勉，許軍在“基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)”一文中設(shè)計(jì)了智能家居系統(tǒng)主要包括ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和嵌入式Web服務(wù)器，ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)遵循TI公司的ZigBee2007協(xié)議棧Z-Stack，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建家庭內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，接收終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的傳感器數(shù)據(jù)，通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給嵌入式Web服務(wù)器，并轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的控制命令給終端節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，并接收協(xié)調(diào)器的控制命令并執(zhí)行。終端節(jié)點(diǎn)連接溫濕度傳感器、煙霧傳感器、熱釋電傳感器、光照度傳感器等，用于測(cè)量家庭環(huán)境數(shù)據(jù)，連接繼電器模塊控制家用電器。嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì)是在STM32微控制器上移植TCP/IP協(xié)議，通過(guò)串口與ZigBee協(xié)調(diào)器通信，通過(guò)以太網(wǎng)接口接入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，用戶(hù)使用電腦、手機(jī)等監(jiān)控設(shè)備與終端設(shè)備交互[11]。

張媛一，張景全，王春來(lái)在“基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)”一文中設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)主要有三部分：遠(yuǎn)程終端、PC和家庭內(nèi)部zigbee網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)功能主要集中于家庭內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接家庭各種家庭設(shè)備和家庭電器，對(duì)家庭內(nèi)部的安防和電器智能控制有很大的作用。通過(guò)連接由 PC 進(jìn)行信號(hào)進(jìn)行顯示和控制，遠(yuǎn)程終端即是在遠(yuǎn)端對(duì)家庭內(nèi)部的環(huán)境進(jìn)行查詢(xún)管理。在本課題中主要是集中于家庭內(nèi)部 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)PC 對(duì)家庭環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)和簡(jiǎn)單控制[12]。

綜上所述，智能家居系統(tǒng)是中控機(jī)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)連接控制器，中控機(jī)通過(guò)ZigBee技術(shù)將信息傳送給終端，終端解析后執(zhí)行指令。每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)可以連接多個(gè)設(shè)備，包括門(mén)禁、窗簾、溫度傳感器、可燃?xì)怏w傳感器、電視等，大致可以分為以下幾個(gè)模塊：紅外控制模塊、溫濕度控制模塊、空氣質(zhì)量監(jiān)控模塊、燈光控制模塊等。每個(gè)模塊互不影響?yīng)毩⒐ぷ鳎K數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)及通信模塊傳遞到控制中心，供用戶(hù)查看及操作。

3 基于ZigBee技術(shù)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)需求分析，本文設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)主要是由四大塊組成如圖1所示。分別是手機(jī)終端控制APP、服務(wù)器通信、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、各種終端設(shè)備。其中終端設(shè)備有：溫濕度傳感器、光照傳感器、氣體傳感器、人體紅外傳感器、開(kāi)關(guān)控制模塊。網(wǎng)關(guān)設(shè)備是由CC2530模塊和ARM處理器組成。終端設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間的通信使用ZigBee技術(shù)。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器之間使用Socket技術(shù)進(jìn)行通信，手機(jī)APP與服務(wù)器之間也是通過(guò)Socket技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的相互訪問(wèn)。最終實(shí)現(xiàn)用戶(hù)使用手機(jī)客戶(hù)端對(duì)終端設(shè)備的控制。

4 總結(jié)

本作者查閱多本文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，智能家居系統(tǒng)是目前設(shè)計(jì)研究的大熱門(mén)，其中以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)占到大多數(shù)。智能家居是未來(lái)家居的發(fā)展方向，所以選擇了低成本、低功耗、低復(fù)雜度的ZigBee方式組建智能家居網(wǎng)絡(luò)。智能家居是一個(gè)集合系統(tǒng)，包括家庭安防、燈光控制、家電控制、室內(nèi)環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)和設(shè)備控制、遠(yuǎn)程的視頻監(jiān)控、聲音監(jiān)聽(tīng)、家庭影音系統(tǒng)、緊急求助系統(tǒng)等，本文采用ZigBee技術(shù)為核心結(jié)合、網(wǎng)關(guān)技術(shù)和手機(jī)終端遠(yuǎn)程控制APP設(shè)計(jì)了一種智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了溫濕度檢測(cè)、光照檢測(cè)、氣體檢測(cè)、人體紅外檢測(cè)、和手機(jī)遠(yuǎn)程控制功能。

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