基于ZigBee 無線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

何 鑫

（湖南省建筑設(shè)計院有限公司，長沙410012）

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，智能化進(jìn)入了人們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷妗?ZigBee 作為無線通信技術(shù)之一，也逐漸得到廣泛應(yīng)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(shù)來實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的智能家居系統(tǒng)。

1 ZigBee 無線通信技術(shù)

ZigBee 協(xié)議是一種雙向通信協(xié)議，不同于傳統(tǒng)通信協(xié)議，它是針對低功耗、低傳輸率的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的。 針對現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用需求，一些著名的ZigBee 廠商如摩托羅拉組建ZigBee 聯(lián)盟，并就無線通信協(xié)議中的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層給出了相應(yīng)的協(xié)議規(guī)范。 2014 年發(fā)布了第一個ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)。 由于ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)的確定，基于ZigBee 的模塊及其使用方法也相應(yīng)發(fā)布。

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)是一種高可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，最多可達(dá)65 535 個無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75 m 進(jìn)行無限擴(kuò)展。每個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以作為監(jiān)控對象（例如其所連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控），還可以自動中轉(zhuǎn)其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)資料。 除此之外，每一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（FFD）還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)（RFD）無線連接。

ZigBee 無線通信技術(shù)傳輸距離短、傳播速率低、易產(chǎn)生延時。 其主要特點(diǎn)是功耗、成本低，組網(wǎng)能力強(qiáng)，能支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌蛇M(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸。由于其成本低，適合大規(guī)模推廣應(yīng)用，它的這些特點(diǎn)與智能家居系統(tǒng)的需求無縫貼合。

2 基于ZigBee 傳輸?shù)闹悄芗揖?/h2>

智能家居系統(tǒng)主要有三部分組成：以傳感器技術(shù)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(jié)點(diǎn)，使用支持ZigBee 協(xié)議的芯片對傳感器進(jìn)行信息采集和控制。

中央控制器同樣使用支持ZigBee 協(xié)議的芯片，稱為匯聚節(jié)點(diǎn)，用于接收信息采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)或者主動發(fā)送數(shù)據(jù)用于對信息采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，兩者之間使用ZigBee 技術(shù)進(jìn)行無線通信。

用戶控制終端包括電腦和手機(jī)設(shè)備，匯聚節(jié)點(diǎn)將采集到的信號通過以太網(wǎng)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，用戶根據(jù)需要可以通過網(wǎng)頁方式進(jìn)行主動查看或者通過手機(jī)微信公眾號的方式進(jìn)行推送；同時匯聚節(jié)點(diǎn)內(nèi)置GPRS 芯片，遇到緊急異常情況（如燃?xì)庑孤丁⒒馂?zāi)情況等）可以通過手機(jī)短信發(fā)送給預(yù)先設(shè)置好的手機(jī)號。

如表1 所示，為幾種短距離無線通信技術(shù)的比較情況。

幾種短距離無線通信技術(shù)的比較 表1

ZigBee 采用Mesh 網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)方式為網(wǎng)狀組網(wǎng)，每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間都可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最大能支持超過一百個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路中某個路由節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或者被移除時，網(wǎng)絡(luò)能夠自動尋找其他路由完成通信，確保節(jié)點(diǎn)之間的通信線路通暢。 在該網(wǎng)絡(luò)中，智能網(wǎng)關(guān)是核心，其他子系統(tǒng)與智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無線連接，通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)云端的設(shè)備數(shù)據(jù)信息經(jīng)過家庭網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)備與ZigBee 智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接通信，如圖1所示，用戶在手機(jī)APP 可通過云端遠(yuǎn)程查看、控制設(shè)備數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

圖1 智能家居Mesh 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 ZigBee 智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案實(shí)例

目前住宅精裝交房比例日趨增加，精裝房根據(jù)室內(nèi)主要功能區(qū)的分布，并結(jié)合業(yè)主的家庭人員構(gòu)成，可設(shè)置不同的智能家居子系統(tǒng)，如圖2 所示，需要把握的原則是實(shí)用節(jié)能、操作方便、居住安全、生活舒適。

入口玄關(guān)為進(jìn)屋主要通道，主人進(jìn)門后，燈光自動亮起，人走后，燈光自動關(guān)閉，設(shè)計采用ZigBee門窗磁設(shè)備，安裝在門上，將開門動作與燈光聯(lián)動，形成一個小的燈光自動照明系統(tǒng)。 同時，玄關(guān)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(dāng)有非法進(jìn)入時，能觸發(fā)紅外入侵探測器的報警功能，聯(lián)動室內(nèi)的聲光報警系統(tǒng)，主人手機(jī)同時收到入侵報警通知短信。

廚房是室內(nèi)較為復(fù)雜的環(huán)境空間，涉及到水、火、氣、電等，有危害人身安全的隱患之處，應(yīng)主要考慮安全防護(hù)，通過ZigBee 協(xié)議的水浸監(jiān)測器、煙感監(jiān)測器、燃?xì)獗O(jiān)測器、智能插座面板等產(chǎn)品，來構(gòu)建廚房的安全防護(hù)屏障。

圖2 某戶型智能家居設(shè)備室內(nèi)分布圖

水浸監(jiān)測主要用在廚房有水經(jīng)過的角落，一旦有水外漏出，將觸發(fā)水浸的探測針，及時發(fā)出報警通知，通過手機(jī)APP 端接收報警信息；煙感監(jiān)測器主要是探測濃煙環(huán)境，一般安裝在廚房頂部作為整個空間的監(jiān)測點(diǎn)，有物體燃燒后發(fā)出濃烈煙霧時，煙感探測設(shè)備就能發(fā)出報警通知；可燃?xì)獗O(jiān)測器用于可燃?xì)怏w監(jiān)測，吸頂安裝在氣源正上方1.5m 以外、3m 以內(nèi)，確保監(jiān)測范圍能夠覆蓋氣體外漏的核心區(qū)域，一旦發(fā)生燃?xì)庑孤細(xì)鈾z測器就發(fā)出報警信息，家庭成員手機(jī)APP 就會收到短信通知；廚房大功率的電器設(shè)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(shè)備由ZigBee 無線智能插座控制，當(dāng)出現(xiàn)漏電情況時，遠(yuǎn)程使用手機(jī)APP 將其關(guān)閉斷電。 另外，在家人外出忘記關(guān)閉電熱水器等設(shè)備時，也可遠(yuǎn)程使用手機(jī)APP 將其關(guān)閉，節(jié)約用電，確保安心出行游玩。

表2 所示為ZigBee 智能家居系統(tǒng)設(shè)計點(diǎn)位分布。

智能家居點(diǎn)位表 表2

餐廳主要考慮用餐環(huán)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(jìn)行調(diào)節(jié)，ZigBee 無線調(diào)光面板可以控制調(diào)節(jié)燈光的明暗度，形成一種明亮適足的光照環(huán)境，同時，通過場景化的設(shè)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(tǒng)考慮，客廳需要燈光環(huán)境的不同氛圍營造及控制、空氣質(zhì)量和室內(nèi)環(huán)境的溫濕度控制，這同時也是智能交互系統(tǒng)的重點(diǎn)區(qū)域，采用ZigBee 無線調(diào)光面板實(shí)現(xiàn)燈光亮度的調(diào)節(jié)控制。當(dāng)客人來訪時，燈光亮度值較高，讓整個空間環(huán)境較為明亮，給人創(chuàng)造一種明亮歡快的光線環(huán)境；當(dāng)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(diào)光面板將光線亮度調(diào)低，形成微光環(huán)境，免除高亮度環(huán)境的干擾。

環(huán)境溫濕度控制系統(tǒng)采用ZigBee 無線環(huán)境監(jiān)測器，可以檢測室內(nèi)空氣質(zhì)量，包括PM2.5、溫濕度等。 當(dāng)PM2.5 的檢測數(shù)值高于檢測數(shù)據(jù)閥值時，設(shè)備就會報警，同時與新風(fēng)設(shè)備聯(lián)動開啟運(yùn)行，將室內(nèi)空氣進(jìn)行優(yōu)化改善。

客廳是一個家庭交流互動的中心點(diǎn)。 ZigBee 智能語音交互系統(tǒng)使用語音互動操控，可使用語音實(shí)現(xiàn)開關(guān)燈、窗的開閉等，內(nèi)置語音節(jié)目，如歌曲、相聲小品、兒童節(jié)目等。

臥室主要考慮燈光環(huán)境控制和溫濕度控制，ZigBee 無線開關(guān)面板可將燈具設(shè)備連接實(shí)現(xiàn)手機(jī)APP 遠(yuǎn)程控制，臥床也可將燈光關(guān)閉，ZigBee 溫室監(jiān)測器實(shí)時對房間進(jìn)行溫室檢測，聯(lián)動控制空調(diào)自動開啟運(yùn)行或關(guān)閉，保證室內(nèi)溫度舒適。 還可聯(lián)動室內(nèi)安防設(shè)備（如紅外入侵檢測、門窗磁探測等），通過手機(jī)APP 開啟睡眠場景模式，室內(nèi)安防設(shè)備自動開啟布防狀態(tài)。

以上是基于一套典型住宅戶型，在主要功能區(qū)域，通過生活場景的詳細(xì)分析，利用ZigBee 無線技術(shù)進(jìn)行智能家居系統(tǒng)的方案設(shè)計。 顯然，通過設(shè)置智能家居系統(tǒng)將大大提升居家的安全、舒適、便利性，改變傳統(tǒng)的生活方式。

4 智能家居技術(shù)存在的問題和未來展望

智能家居領(lǐng)域目前仍舊處于發(fā)展階段，越來越多的新技術(shù)手段不斷加入，特別是5G 和區(qū)塊鏈的新技術(shù)出現(xiàn)，必將會帶來智能家居領(lǐng)域一次大的飛躍，將更加完善貼合地服務(wù)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(nèi)的設(shè)備數(shù)據(jù)迅速收集和傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，如家庭成員的出入數(shù)據(jù)、睡眠休息數(shù)據(jù)，通過智能家居設(shè)備采集后上傳至小區(qū)物業(yè)的安保處和醫(yī)療康復(fù)機(jī)構(gòu)，通過大數(shù)據(jù)的分析判斷來給出預(yù)測的結(jié)果，如果家庭成員出入數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常點(diǎn)，通過5G 傳輸可以實(shí)時截取查看異常點(diǎn)的畫面，提供更好的預(yù)防方案，醫(yī)療康復(fù)機(jī)構(gòu)可以根據(jù)家庭成員的作息數(shù)據(jù)分析家庭成員最近的身體狀況，針對醫(yī)療康復(fù)手段采取更加精準(zhǔn)有效遠(yuǎn)程治療方案。 隨著5G 技術(shù)的不斷成熟和深入，家庭成員的各項數(shù)據(jù)通過智能家居設(shè)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(shù)據(jù)庫，一旦出現(xiàn)異常數(shù)值可以迅速通過5G 傳輸，告知相關(guān)人員和管理機(jī)構(gòu)。

5 結(jié)束語

本文通過對ZigBee 無線通信技術(shù)與其他技術(shù)的分析和對比，論述了其作為智能家居系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，并結(jié)合家居室內(nèi)各功能用房的特點(diǎn)和居住需求，如何將智能家居覆蓋到各用房和各個生活細(xì)節(jié)中去進(jìn)行了詳細(xì)論述。 未來，隨著5G 高速率低延時的數(shù)據(jù)傳輸和區(qū)塊鏈去中心化的安全驗證技術(shù)，智能家居系統(tǒng)將越來越普及和可靠。 但技術(shù)也是一把“雙刃劍”，在給人們帶來便利的同時，也帶來了危機(jī)和未知風(fēng)險，其中數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)成為人們最關(guān)心的話題，如何保證設(shè)備采集上傳的數(shù)據(jù)不被入侵盜取甚至篡改數(shù)據(jù)值呢？ 區(qū)塊鏈技術(shù)可否通過去中心化和鏈上所有成員的驗證通過，確保數(shù)據(jù)不會被盜取和篡改呢？ 這些都是未來需要進(jìn)一步研究和探討的課題。