基于Zigbee3.0技術的智能家居系統設計

溫 琳

（朗高科技有限公司，江蘇南京 210019）

智能家居系統結合智能安防、智能傳感、智能家電等產品，融合自動化控制、計算機網絡和網絡通信技術，在一個操作平臺上實現智能燈光控制、智能窗簾控制、智能暖通控制、家電控制、智能報警、智能安防、遠程控制、語音控制等功能，用戶可以使用手機、PAD等智能移動終端，對設備進行本地、遠程控制，使用語音機器人實現語音控制，使用智能傳感器實現自動聯動[1]。

1 Zigbee3.0概述

1.1 主流無線通信協議概述

目前，主流的無線傳輸協議包括Zigbee協議（IEEE802.15.4）、藍牙技術（IEEE802.15.1）以及Wi-Fi協議（IEEE802.11）。

（1）Zigbee技術特點。

Zigbee基于IEEE802.15.4標準實現，具備低功耗、低成本、低速率、短距離、短延時、高容量、高安全傳輸等特點，被廣泛應用于智能家居、傳感器網絡、工業自動化控制等領域[2]。

（2）Wi-Fi技術特點。

Wi-Fi（IEEE802.11x）可以解決辦公網和校園網中用戶與用戶終端的無線接入。無線電波覆蓋廣，網絡速度較高，移動性好。Wi-Fi以提高功耗為代價提高帶寬，在工業及環境較惡劣場所的應用具有較多限制。

（3）藍牙技術特點。

藍牙技術是愛立信公司提出的近距離無線通信規范，能夠在設備間進行方便快捷、低成本、低功耗的數據和語音傳輸，是無線個域網（WPAN）的主流技術之一。藍牙在2.4 GHz頻段工作，帶寬低，連接距離小。藍牙技術兼容性和抗干擾能力較差，傳輸距離較短，成本偏高。

1.2 Zigbee3.0的技術特點

Zigbee3.0將分散的無線標準簡化為單一標準，可以在眾多智能設備上實現無縫互操作，實現不同類型被控設備的互聯互通，解決不同應用層協議間的互聯互通問題，具有較好的開放性、普遍性和完整性[3]。Zigbee3.0增強了網絡的安全特性，在不同的功能層分別定義安全Keys，采用128位對稱密鑰實現數據解密和加密，實現端到端的安全通信。Zigbee3.0網絡可以連接IP網絡，允許智能手機、平板電腦和計算機等設備通過網絡進行本地及遠程的直接控制。Zigbee3.0的新版本表現出更加開放與包容的態度，為整個物聯網生態鏈的擴展，尤其是智能家居的新體驗起推動作用，建立不同設備間的通信連接網絡，使智能家居產品連接同一個網絡，使家居體驗更加智能便捷。

2 系統設計

2.1 設計目標

智能家居各子系統的操作界面是統一、集成、友好的，子系統或設備不獨立運行，可以互聯、互通、互動。

2.2 系統特色

基于Zigbee3.0的無線智能家居系統采用無線組網，無須布線。

無線智能家居系統采用標準Zigbee3.0標準協議，可以輕松兼容、接入各種標準Zigbee3.0設備，具備充足的升級和擴展空間。

基于Zigbee3.0無線智能家居系統如表1所示。

表1 基于Zigbee3.0無線智能家居系統

2.3 功能設計

全開全關功能：通過一次性操作可以打開或關閉家居各功能區域所有的燈光和電器。

家電控制功能：通過手機或平板電腦可以遠程控制電器的開關，對空調溫度、風速、模式等參數進行調節。

集中控制功能：利用手機或平板電腦可以控制家居各功能。

防盜報警功能：家里出現異常情況（電管破裂、煤氣泄漏、門鎖異常打開等）時，報警信息會在第一時間被發送至指定手機。

情景控制功能：支持多種情景功能，如回家、離家、會客、就餐、影院等模式。

定時控制功能：可以預設定時，控制燈光及電器的定時開關。

遠程監控功能：能夠通過手機屏幕實時查看家里的情況，通過攝像頭實現雙向對講功能。

語音控制功能：利用語音機器人、語音面板、手機APP語音操控智能家居設備。

自動聯動功能：使用指紋開啟家居門鎖時，聯動開啟回家歡迎模式；室內空氣渾濁時，聯動開啟新風系統；室內氣溫過高時，自動開啟空調。

2.4 系統構成

（1）智能燈光系統。

將傳統機械開關轉變為智能觸摸型開關，實現本地燈光控制、遠程控制、定時控制、集中控制，能夠預先設定燈光模式。

（2）智能窗簾系統。

利用智能觸摸窗簾面板或數字終端實現窗簾拉開、閉合、暫停的本地和遠程控制，配置窗簾遙控器實現遠程操作。

（3）智能暖通控制系統。

在智能家居信息箱中放置空調、新風、地暖協議轉換器，將空調、新風、地暖協議轉換為http協議，由智能家居APP實現控制以及聯動。

智能家居系統控制暖通設備的開、關、運行模式設定，終端通過RS-485協議接口實現各區域暖通設備聯網型溫控面板通信。

（4）家電控制系統。

智能家居系統可以采用兩種方式控制家中的家電設備，通過紅外學習設備控制家中所有基于紅外信號控制的家電，可以實現開關、溫度調控、音量增減等功能；在五孔插座的基礎上加裝智能插座，實現家電的開關、遠程、定時、自動聯動控制。

（5）智能報警系統。

在廚房安裝可燃氣體探測器、煙霧探測器，探測廚房的燃氣、煙霧濃度，濃度超過設定值時，探測器及聲光報警器發出聲光報警，推送報警消息至業主手機APP及物業管理中心，自動聯動機械手，關閉燃氣閥門。

（6）智能門鎖系統。

智能門鎖利用互聯網和Zigbee技術，結合云服務器、智能手機、家庭網關和Zigbee終端，可以實現遠程開鎖、信息管理功能、開鎖權限管理和防盜報警功能，能夠極大地提高智能門鎖的可控性和安全性。

（7）訪客對講系統。

將智能家居控制系統與訪客可視對講系統進行有效結合。對講系統與手機無線聯動，實現訪客呼叫業主終端時，將呼叫信息推送至業主手機，實現移動對講。

（8）安防監控系統。

在玄關客廳區域安裝攝像機，遠程呵護兒童及老人。家中突遇緊急情況，如有人入侵偷盜時，報警信息會聯動截圖推送至手機。

（9）遠程控制系統。

用戶可以在智能APP上注冊賬號，通過家庭無線局域網連接智能網關，對智能家居設備進行本地設備控制，也可以注冊云賬戶，通過云端對家居設備進行遠程控制。

（10）語音控制系統。

利用語音系統命令控制智能家居設備。

2.5 區域設計

在入戶玄關（過道）、客廳、餐廳、廚房、主臥、次臥、書房設置智能燈光面板，對燈光進行本地、遠程、場景控制。在入戶玄關（過道）、客廳、餐廳設置場景面板，住戶可以根據實際需求啟動預設場景，場景模式內容用戶可以在智能家居APP上自定義設置。在客廳、主臥、次臥、書房設置窗簾面板，實現本地、遠程、定時控制電動窗簾，窗簾面板可以配合情景模式使用。在客廳、主臥、次臥、書房設置空調地暖面板，自動調節空調、地暖系統。在廚房設置新風控制面板，自動聯動新風機進行新風控制。在廚房設置氣體探測器，進行有害氣體報警檢測。在客廳設置智能家居網關、智能音箱，實現自動控制、語音控制。

（1）控制智能燈光。

智能控制照明可以實現燈光的本地和遠程控制。利用手機、平板和面板實現燈光的遠程和定時控制，可以單獨控制燈光開關，實現場景控制。業主可以自行設計燈光組合，迎合使用者的心境。

（2）控制電動窗簾。

通過手機、平板或墻面的開關面板實現控制窗簾，移動端可以實現窗簾精準行程控制。

（3）控制暖通空調。

利用手機或平板等移動端，控制空調、地暖的開關、溫度、風速和模式；實現本地和遠程控制；實現場景集中控制，如一鍵全開、一鍵全關。定時設定溫度，根據需要在每個時間段設定每個房間的溫度。根據環境自動調節室內溫度，達到最佳舒適狀態。

2.6 控制方式設計

智能家居系統涉及3種交互方式，包括面板觸控、手機APP控制和語音控制。通過智能面板開關進行觸摸控制；通過手機APP對智能家居產品進行本地、遠程控制，對智能設備進行聯動場景DIY設置；通過智能機器人、智能音箱、手機APP音控、Siri語音實現語音控制。

3 結語

Zigbee3.0對網絡行為進行規范，保證對之前規范的向前兼容性，顯著提高不同設備間的互操作性，保證和市場存量產品的互通。Zigbee3.0有機會打破不同產品類型、不同品牌甚至不同應用場景間的組網壁壘，可以使智能家居或其他IoT網絡的組建和控制變得更便捷。未來市場中，智能家居產品能夠互聯互通，實現多平臺操作。越來越多的品牌和產品將支持開放平臺系統。