基于ZigBee3.0技術的智能家居系統設計

于國福

（四川長虹電子控股集團有限公司，四川 綿陽 621000）

0 引 言

家庭居住環境智能化程度的提升，可以極大地方便人們的生活，提升居住質量。但是，傳統的智能家居組件的網絡結構過于簡潔，連接節點數量也比較少，并且還存在網絡穩定性不強的情況，嚴重影響人們的居住體驗。ZigBee3.0技術主要利用無線通信模組建立點對點的通信方式，無論是在安全性還是穩定性方面都具有突出優勢，可以滿足不同業務場景的實際需求[1]。在智能家居以及樓宇自動化等環境中，ZigBee3.0技術都具有良好的適配性，可以用來控制家用電器、集中照明以及采暖制冷等。另外，ZigBee3.0技術在工業自動化環境同樣可以得到有效應用，提升工業生產的安全性，在醫學領域同樣可以充分發揮技術本身所具有的網絡容量大、響應速度快以及自動組織等技術優勢。

1 ZigBee3.0技術特點

現階段，主流的無線傳輸協議主要有ZigBee協議、藍牙技術和WiFi協議等。其中，ZigBee技術主要依靠IEEE 802.15.4標準實現，在智能家居、傳感器網絡以及工業自動化控制等領域都得到有效應用。ZigBee3.0技術可以將原本處于分散狀態的無線標準簡化為單一標準，實現多種智能設備的無縫互操作，有效解決不同應用層協議間的互聯互通問題[2]。應用ZigBee3.0技術，可以全面提升網絡安全性，為端對端的安全通信提供保證。利用ZigBee3.0網絡可以連接IP網絡，允許智能手機、平板電腦以及計算機等設備通過網絡進行本地和遠程控制，有助于家居體驗智能便捷性的提升。

2 基于ZigBee3.0技術的智能家居系統設計優勢

智能家居系統研究工作的開展具有重要的現實意義，其可以有效改善人們的生活方式，為人們提供更加高效、舒適和便捷的居住條件。另外，智能家居系統還有利于提升家居環境安全性，有效保障人們的安全。不斷推進智能家居系統的普及工作，有利于整個社會安全性的全面提升。大數據技術支持下的家居系統，不僅可以改變人們的生活方式，還能夠改變社會管理模式，促進構建智慧型 環境。

ZigBee3.0技術作為一種新型局域網協議，主要可以用來支撐大量微小互傳感器之間的信號傳輸。將其應用至智能家居系統設計當中，可以改善WiFi、Bluetooth等無線通信技術的應用弊端，進一步拓展傳輸范圍、降低功耗以及應用成本等。

基于ZigBee3.0技術的智能家居系統設計最突出的優勢便是低能耗[3]。一般情況下，進行數據傳輸和處理時，ZigBee無線通信技術只需要1 mW的功率，待機時消耗能源將進一步降低。根據相關實驗結果，使用ZigBee通信技術的通信設備，可以利用兩節5號干電池持續工作半年甚至更長的時間，明顯長于藍牙和WiFi等技術通信設備的幾小時或者幾周的工作時間。

使用成本低同樣是基于ZigBee3.0技術的智能家居系統設計的突出優勢，主要是可以免去專利費用，以此促進用戶使用成本的降低，最終達到節約費用的效果。ZigBee3.0技術的通信協議十分簡單，對于通信控制器的要求不高。在實際應用中，8051單片機的8位微控制器測算，全功能的主節點需要32 kB代碼，子功能節點可以少至4 kB代碼，有利于ZigBee通信技術應用成本的大幅度降低，不僅可以滿足正常通信功能，還能夠為工作效率的增強以及通信質量的提升提供促進作用。

除此之外，基于ZigBee3.0技術的智能家居系統設計還具有通信延時小的優勢，可以為響應速度提供保證，這也是該項技術得到廣泛應用的主要原因[4]。應用ZigBee3.0技術，從網絡終端到連接網絡只需要耗費30 ms，比普通無線通信技術縮短了 5 ms的通信時間。

3 基于ZigBee3.0技術的智能家居系統設計策略

智能家居系統雖然可以滿足人們對于高質量家居環境的需求，但是存在市場推廣成本高以及管理難度大等問題，智能家居系統的安裝也存在一定安全隱患。將ZigBee3.0技術應用至智能家居系統設計當中，可以完善家庭網關，在優化網絡拓撲結構設計的基礎上實現內部網設計的完善。ZigBee3.0技術還可以適應家居房屋建筑面積所存在的局限性，實現短距離的高效傳輸，同時有效規避信號傳輸時的干擾。

3.1 系統設計目標及系統特色

智能家居系統當中的不同子系統擁有統一、集成、友好的操作界面，子系統或者設備基本不獨立運行，處于互聯、互通、互動的連接狀態[5]。以ZigBee3.0技術為基礎的智能家居系統，免去了布線環節，主要應用無線組網，系統設計的主要標準為ZigBee3.0標準協議，可以對不同標準的ZigBee3.0設備輕松兼容和接入，在升級和擴展空間方面也比較充足。基于ZigBee3.0技術的智能家居系統的特色可以歸納為無線控制、自由組合、超低能耗以及擴展性強等，具體如表1所示。

表1 基于ZigBee3.0技術智能家居系統特色

3.2 系統功能設計

應用ZigBee3.0技術進行智能家居系統設計，需要設計全開全關功能、家電控制功能、集中控制功能、防盜報警功能、情景控制功能、定時控制功能、遠程監控功能、語音控制功能以及自動聯動功能等。首先，系統應當具備利用一次性操作將家庭不同功能區域所有燈光以及電氣打開或者關閉的功能。手機和平板燈已經成為人們日常生活和工作不可缺少的一部分，因此所設計的智能家居系統應當滿足居民利用手機或者平板等對電器以及家居不同功能進行遠程控制的要求。很多居民十分關注系統的防盜報警功能，一旦發現水管破裂以及煤氣泄漏等異常情況時，盡快將報警信息發送給指定手機。情景控制功能主要是指系統可以支持回家、離家、會客以及就餐等模式[6]。

設計智能家居系統時，應當嚴格遵循實用性原則、安全性原則以及規范性原則等，充分發揮ZigBee3.0技術優勢，完善系統各方面功能。以某智能家居系統功能設計為例，主要運用ZigBee芯片cc2530，采用星型拓撲結構完成組網，借助ZigBee3.0技術實現協調器和節點通信，并且連接串口構成完善的傳輸鏈路。

3.3 系統主要組成部分

智能燈光系統、智能窗簾系統、智能暖通控制系統、家電控制系統以及智能報警系統等都屬于基于ZigBee3.0技術的智能家居系統的主要組成部分，具體設計如圖1所示。系統的不同組成部分發揮著各自的功能，為整體的智能化家居體驗的提升提供服務。以智能燈光系統為例，智能觸摸型開關代替了傳統機械開關，具有多種控制模式，包括本地燈光控制、遠程控制、定時控制以及集中控制等多個控制模式，用戶可以依據實際需求進行燈光模式的預先設定。智能暖通控制系統將空調、新風、地暖協議轉換器放置于智能家居信息箱中，有效轉變其協議為http協議，在控制和聯動時主要依靠智能家居App。運用智能家居系統對暖通設備開、關以及運行模式進行控制時，終端主要通過RS-485協議接口實現不同區域暖通設備聯網型溫控面板通信。智能門鎖系統將互聯網和ZigBee3.0技術融合在一起，借助云服務器、智能手機以及ZigBee終端等進行遠程開鎖以及信息管理等。

圖1 以網關為中心節點的智能家居系統

3.4 區域及控制方式設計

智能家居系統的智能燈光面板主要被設置在入戶玄關、客廳、餐廳、廚房、臥室以及書房等區域，主要用來控制不同區域的燈光。場景面板則主要被設置在入戶玄關、客廳以及餐廳等區域，方便居民結合自身具體需求啟動對應的預設場景，用戶可以通過智能家居App個性化設置場景模式內容。窗簾面板和空調地暖面板主要被設置在客廳、臥室以及書房等區域，對電動窗簾以及空調地暖等進行本地控制、遠程控制以及定時控制。面板觸控、手機App控制以及語音控制等屬于智能家居系統的主要交互方式，語音控制的實現主要依靠智能機器人、智能音箱、手機App音控以及Siri語音等。

3.5 家庭網關設計

ZigBee無線技術傳感器是家庭網關重要的構成器件，為網絡協調的實現提供支撐，同時還可以對網絡運行情況進行檢測，有效連接不同傳感器節點之間的通信。家庭網關不僅具有較強的傳輸功能，還具有良好的擴展性。在設計家庭網關時，應當緊密結合智能家居的實際情況以及具體功能，完成功能齊全的外部接口設計。智能家居處于快速更新迭代的狀態，因此需要在使用一段時間智能家居后，對其進行更新，在設計過程中需要明確數據幀格式，方便后續智能家居設備的更新升級。

家庭網關的硬件處理器以無線低功耗單片機CC2430為主。考慮到軟件協議復雜和數據流量大等特點，應當在內含FLASH的CC2430基礎上進一步擴展存儲器，以此來專門存儲紅外脈沖碼。供電模塊以低壓差線性可調穩壓器TPS78 601為主，將電壓穩定至3.6 V，向整個系統輸出，還可以在輸出部分分別設置2.2 μF和15 pF的電容，以此縮小輸出電源的波紋，避免輸入端受到明顯干擾。短信收發則主要應用GR64模塊這一工業級無線調制解調模塊。該模塊具有豐富的外設接口。短信模塊和單片機CC2430之間的通信主要依靠RS-232協議。這兩者為GSM網絡和ZigBee網絡提供數據轉換通道。

4 結 語

ZigBee3.0技術的出現，為打破不同產品類型、不同品牌以及不同應用場景之間的壁壘提供了可能。以這一技術為基礎完成智能家居系統的構建，可以明顯提升系統控制的智能化程度以及便捷性，支撐不同類型智能家居產品的互聯互通以及多平臺操作，滿足智能家居系統的通信需求，屬于現代化智能家居系統當中較為理想的通信方式。今后，應當進一步發揮ZigBee3.0技術的高穩定性、高安全性、高效率以及低成本等優勢，促進智能家居行業的進一步發展。