基于ZigBee 無線通信技術的智能家居系統設計

何 鑫

（湖南省建筑設計院有限公司，長沙410012）

0 引言

隨著通信技術的發展，智能化進入了人們日常生活中的方方面面。 ZigBee 作為無線通信技術之一，也逐漸得到廣泛應用，為人們家居生活的安全性、可靠性、舒適性提供支撐，大幅提升人們的家居生活體驗感，使得家居更智能，讓智能家居的概念深入人心。 本文將從以下幾個方面來論述如何全面、充分利用ZigBee 無線通信技術來實現更優的智能家居系統。

1 ZigBee 無線通信技術

ZigBee 協議是一種雙向通信協議，不同于傳統通信協議，它是針對低功耗、低傳輸率的無線網絡設計的。 針對現實中的應用需求，一些著名的ZigBee 廠商如摩托羅拉組建ZigBee 聯盟，并就無線通信協議中的網絡層和應用層給出了相應的協議規范。 2014 年發布了第一個ZigBee 標準。 由于ZigBee 標準的確定，基于ZigBee 的模塊及其使用方法也相應發布。

ZigBee 網絡是一種高可靠的無線數據傳輸網絡，最多可達65 535 個無線數據傳輸模塊組成一個無線數傳網絡平臺，在整個網絡范圍內，每一個ZigBee 網絡數傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節點間的距離可以從標準的75 m 進行無限擴展。每個ZigBee 網絡節點不僅本身可以作為監控對象（例如其所連接的傳感器直接進行數據采集和監控），還可以自動中轉其他網絡節點傳過來的數據資料。 除此之外，每一個ZigBee 網絡節點（FFD）還可在自己信號覆蓋的范圍內，和多個不承擔網絡信息中轉任務的孤立的子節點（RFD）無線連接。

ZigBee 無線通信技術傳輸距離短、傳播速率低、易產生延時。 其主要特點是功耗、成本低，組網能力強，能支持多種網絡拓撲，可進行數據雙向傳輸。由于其成本低，適合大規模推廣應用，它的這些特點與智能家居系統的需求無縫貼合。

2 基于ZigBee 傳輸的智能家居

智能家居系統主要有三部分組成：以傳感器技術為核心的智能終端、中央控制器和用戶控制終端。

智能家居的傳感器終端為ZigBee 模塊，可以將其稱為信息采集節點，使用支持ZigBee 協議的芯片對傳感器進行信息采集和控制。

中央控制器同樣使用支持ZigBee 協議的芯片，稱為匯聚節點，用于接收信息采集節點發送的數據或者主動發送數據用于對信息采集節點進行控制，兩者之間使用ZigBee 技術進行無線通信。

用戶控制終端包括電腦和手機設備，匯聚節點將采集到的信號通過以太網發送到網絡服務器，用戶根據需要可以通過網頁方式進行主動查看或者通過手機微信公眾號的方式進行推送；同時匯聚節點內置GPRS 芯片，遇到緊急異常情況（如燃氣泄露、火災情況等）可以通過手機短信發送給預先設置好的手機號。

如表1 所示，為幾種短距離無線通信技術的比較情況。

幾種短距離無線通信技術的比較 表1

ZigBee 采用Mesh 網絡，組網方式為網狀組網，每一個網絡節點之間都可進行數據傳輸，最大能支持超過一百個網絡節點，當網絡傳輸鏈路中某個路由節點出現故障或者被移除時，網絡能夠自動尋找其他路由完成通信，確保節點之間的通信線路通暢。 在該網絡中，智能網關是核心，其他子系統與智能網關進行無線連接，通過網關發送和接收數據。

物聯網云端的設備數據信息經過家庭網絡的路由設備與ZigBee 智能網關進行連接通信，如圖1所示，用戶在手機APP 可通過云端遠程查看、控制設備數據和狀態。

圖1 智能家居Mesh 網絡架構

3 ZigBee 智能家居系統設計方案實例

目前住宅精裝交房比例日趨增加，精裝房根據室內主要功能區的分布，并結合業主的家庭人員構成，可設置不同的智能家居子系統，如圖2 所示，需要把握的原則是實用節能、操作方便、居住安全、生活舒適。

入口玄關為進屋主要通道，主人進門后，燈光自動亮起，人走后，燈光自動關閉，設計采用ZigBee門窗磁設備，安裝在門上，將開門動作與燈光聯動，形成一個小的燈光自動照明系統。 同時，玄關作為居家安防的重要通道，采用紅外入侵探測器，在離家時開啟布防模式，當有非法進入時，能觸發紅外入侵探測器的報警功能，聯動室內的聲光報警系統，主人手機同時收到入侵報警通知短信。

廚房是室內較為復雜的環境空間，涉及到水、火、氣、電等，有危害人身安全的隱患之處，應主要考慮安全防護，通過ZigBee 協議的水浸監測器、煙感監測器、燃氣監測器、智能插座面板等產品，來構建廚房的安全防護屏障。

圖2 某戶型智能家居設備室內分布圖

水浸監測主要用在廚房有水經過的角落，一旦有水外漏出，將觸發水浸的探測針，及時發出報警通知，通過手機APP 端接收報警信息；煙感監測器主要是探測濃煙環境，一般安裝在廚房頂部作為整個空間的監測點，有物體燃燒后發出濃烈煙霧時，煙感探測設備就能發出報警通知；可燃氣監測器用于可燃氣體監測，吸頂安裝在氣源正上方1.5m 以外、3m 以內，確保監測范圍能夠覆蓋氣體外漏的核心區域，一旦發生燃氣泄漏，燃氣檢測器就發出報警信息，家庭成員手機APP 就會收到短信通知；廚房大功率的電器設備多，用電能耗高，用電安全問題較為敏感，若將微波爐、電熱水器、電磁爐等用電量大的設備由ZigBee 無線智能插座控制，當出現漏電情況時，遠程使用手機APP 將其關閉斷電。 另外，在家人外出忘記關閉電熱水器等設備時，也可遠程使用手機APP 將其關閉，節約用電，確保安心出行游玩。

表2 所示為ZigBee 智能家居系統設計點位分布。

智能家居點位表 表2

餐廳主要考慮用餐環境的舒適，讓家庭成員或到訪客人形成一種比較和諧的用餐氛圍，這種氛圍的營造就需要對燈光亮度進行調節，ZigBee 無線調光面板可以控制調節燈光的明暗度，形成一種明亮適足的光照環境，同時，通過場景化的設置可以一鍵將燈光、音樂等組合起來，形成一鍵開啟，在用餐同時還有舒緩的背景音樂播放。

客廳主要考慮接待、娛樂和展示三大功能，部分客廳還兼有臨時用餐、閱讀等附屬功能。 從智能家居系統考慮，客廳需要燈光環境的不同氛圍營造及控制、空氣質量和室內環境的溫濕度控制，這同時也是智能交互系統的重點區域，采用ZigBee 無線調光面板實現燈光亮度的調節控制。當客人來訪時，燈光亮度值較高，讓整個空間環境較為明亮，給人創造一種明亮歡快的光線環境；當需要觀看電視和電影時，較高的光線亮度會影響人們的觀看體驗，這時通過ZigBee 無線調光面板將光線亮度調低，形成微光環境，免除高亮度環境的干擾。

環境溫濕度控制系統采用ZigBee 無線環境監測器，可以檢測室內空氣質量，包括PM2.5、溫濕度等。 當PM2.5 的檢測數值高于檢測數據閥值時，設備就會報警，同時與新風設備聯動開啟運行，將室內空氣進行優化改善。

客廳是一個家庭交流互動的中心點。 ZigBee 智能語音交互系統使用語音互動操控，可使用語音實現開關燈、窗的開閉等，內置語音節目，如歌曲、相聲小品、兒童節目等。

臥室主要考慮燈光環境控制和溫濕度控制，ZigBee 無線開關面板可將燈具設備連接實現手機APP 遠程控制，臥床也可將燈光關閉，ZigBee 溫室監測器實時對房間進行溫室檢測，聯動控制空調自動開啟運行或關閉，保證室內溫度舒適。 還可聯動室內安防設備（如紅外入侵檢測、門窗磁探測等），通過手機APP 開啟睡眠場景模式，室內安防設備自動開啟布防狀態。

以上是基于一套典型住宅戶型，在主要功能區域，通過生活場景的詳細分析，利用ZigBee 無線技術進行智能家居系統的方案設計。 顯然，通過設置智能家居系統將大大提升居家的安全、舒適、便利性，改變傳統的生活方式。

4 智能家居技術存在的問題和未來展望

智能家居領域目前仍舊處于發展階段，越來越多的新技術手段不斷加入，特別是5G 和區塊鏈的新技術出現，必將會帶來智能家居領域一次大的飛躍，將更加完善貼合地服務人們家居生活。

高速率和低延時的5G 傳輸特性，可以將家庭內的設備數據迅速收集和傳輸到云端服務器，如家庭成員的出入數據、睡眠休息數據，通過智能家居設備采集后上傳至小區物業的安保處和醫療康復機構，通過大數據的分析判斷來給出預測的結果，如果家庭成員出入數據出現異常點，通過5G 傳輸可以實時截取查看異常點的畫面，提供更好的預防方案，醫療康復機構可以根據家庭成員的作息數據分析家庭成員最近的身體狀況，針對醫療康復手段采取更加精準有效遠程治療方案。 隨著5G 技術的不斷成熟和深入，家庭成員的各項數據通過智能家居設備的全方面采集處理和高速低延時的傳輸，每一個家庭成員都將有一個自己的數據庫，一旦出現異常數值可以迅速通過5G 傳輸，告知相關人員和管理機構。

5 結束語

本文通過對ZigBee 無線通信技術與其他技術的分析和對比，論述了其作為智能家居系統組網技術的優勢，并結合家居室內各功能用房的特點和居住需求，如何將智能家居覆蓋到各用房和各個生活細節中去進行了詳細論述。 未來，隨著5G 高速率低延時的數據傳輸和區塊鏈去中心化的安全驗證技術，智能家居系統將越來越普及和可靠。 但技術也是一把“雙刃劍”，在給人們帶來便利的同時，也帶來了危機和未知風險，其中數據安全和隱私保護成為人們最關心的話題，如何保證設備采集上傳的數據不被入侵盜取甚至篡改數據值呢？ 區塊鏈技術可否通過去中心化和鏈上所有成員的驗證通過，確保數據不會被盜取和篡改呢？ 這些都是未來需要進一步研究和探討的課題。