对基于ZigBee物联网智慧家居系统的设计与实现探讨

高小明

摘要：ZigBee物联网为智能家居系统设计所依靠的关键技术，对系统设计人性化水平的提高，及人机交互的实现，具有重要的价值。本文首先分析了ZigBee物联网，基于此，从传感器、智能网关及健康平台3方面入手，阐述了系统的设计方案。并以灯光、电机、遥控及健康管理等为例，对系统功能的实现方式进行了探讨。通过对模拟测试结果的观察，证实了系统的应用价值。

关键词：ZigBee；物联网；智慧家居系统

近些年来，随着网络技术发展水平的提高，智能家居系统逐渐产生，为人们生活质量的提高提供了路径。智能家居功能的实现，对网络传输质量的要求较高。ZigBee指基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种短距离、低功耗的无线通信技术。将其应用到智能家居系统的设计中，可有效增强系统功能。因此，对该技术的应用方法加以研究较为必要。

1 ZigBee局域网的优势

ZigBee局域网的优势，主要体现在功耗低、节点支持量大等方面，与其他无线网络对比，具有明显的优势。从网络大小及成本方面分析，GPRS的网络大小为1、WiFi为32、蓝牙为7、ZigBee最高可达65000。四者之中，以ZigBee局域网的成本最低，可靠性最强[1]。可见，与WiFi等技术相比，采用ZigBee局域网设计智能家居更加具有可行性。

2 ZigBee物联网智慧家居系统的设计

基于ZigBee物联网智能家居系统的设计方法如下：

2.1 传感器设计

（1）硬件设计：传感器硬件包括电源、数据采集模块及无线收发模块3部分。其中电源由可移动电源与不可移动电源2部分组成。数据采集模块的功能，需依靠模块传感器而实现，包括人体监测传感器及温度传感器等。无线收发模块的功能，需依靠射频芯片而实现。本课题所应用的芯片，以TI及Jennic为主，TI包括CC2420及CC2430等多种功能，Jennic则可支持JN5152的实现[2]。（2）软件设计：ZigBee软件由数据采集软件、智能网关、网络管理软件等构成，拓扑结构为Star结构及Cluster结构。前者具有结构简单的优势，但数据链路仅包括1条。后者结构则相对复杂。采用两种方式设计，可有效提高网络传输质量。

2.2 智能网关设计

（1）硬件设计：智能网关电源由TI电源管理芯片UCC28710DD所控制，输出电压5V，开关电流2A；网络数据的发出与接收，可借助WiFi而完成；硬件芯片型号为RT5350WiFi，CPU内核为MIPS 24Kc；智能网关具有LED显示功能，使用者可利用WiFi调整LED灯管的工作状态，进而实现对智能家居的自动化控制。（2）软件设计：智能网关可使用的路由系统，包括OpenWrt、DDWrt及Tomato三种，前者具有使用简单、数据传输质量高的优势，因此本课题将OpenWrt选择为了主要的路由系统。OpenWrt編辑工具为Vim、版本系统Git，系统运行的可靠性较强，应用价值较高。

2.3 监控平台设计

监控平台终端通常为智能硬件设备，如智能手机或电脑等，本课题所设计的监控平台，可供两种设备同时在线监测。以Android操作系统的智能手机为例，平台的设计方法如下：（1）开发工具：Ant+JDK或Eclipse+ADT均符合系统的开发需求，但后者使用方法更加简单，因此本课题考虑采用Eclipse+ADT工具进行设计。（2）模块构成：监控平台由Socket通信模块及用户登录模块构成。以后者为例，系统运行期间，用户随时可经终端登录至监控系统，进入监控画面主界面，通过输入用户名+密码的方式，与监控平台相连接。在此基础上，观看监控图像。

3 ZigBee物联网智慧家居系统实现及测试

3.1 ZigBee物联网智慧家居系统实现

ZigBee物联网智慧家居系统可实现对灯光、电机、家电等的控制，同时还具有安全预警及健康管理的功能。上述不同功能的实现方法不同。以灯管控制功能为例：智能家居灯光控制系统，共包括开关控制与灯光接入两大子系统。用户可采用遥控装置，实现对光源亮度、开关以及场景模式的调整。如用户未处于家庭内部，还可通过手机WAP或电话等方式，远程遥控，实现对灯光的控制。采用上述方法设计，能够有效提高光源的控制效率，且可达到节能、环保的效果。除此之外，用户还可经监控平台，实现对家庭内部的监控。当家庭被其他人员非法入侵时，系统可实现自动报警，并经监控平台，将画面显示在智能终端中，以供用户查看。

3.2 系统性能测试

以智能家居系统的安全预警功能为例，对系统性能进行了测试：

3.2.1 测试平台

本课题所设计的测试平台，共由传感器、摄像头及家庭网关3部分构成。传感器中，人体感应模块为重点模块。人体感应模块直流电压4.5V～20V。触发方式包括L与H共两种，L为不可重复触发，H为重复触发，感应角度处于100°以下。当室内温度处于15℃～70℃之间时，传感器均可正常工作。

3.2.2 测试结果

摄像头安装并启动完成后，工作人员通过模拟外来人员非法入侵场景的方式，对智能家居安全预警功能的性能进行了测试。结果显示：当外来人员非法入侵后，系统可在2s内，自动实现预警，并立即通过手机短信的方式，提醒居住者室内有风险发生。居住者可通过Android操作系统的智能手机，调取监控画面，观看室内状况，同时，通过报警的方式，保护家庭的财产安全。

4 结论

综上所述，本文以ZigBee物联网为基础所设计的智能家居系统，具有灯光控制、电机控制、家电控制及安全预警等多种功能，能够有效提高人民生活的智能化水平。有关领域可将传感器、智能网关及监控平台的设计作为重点，利用ZigBee技术，设计智能家居系统，以提高自身生活的便利性，提高家庭财产的安全性。

参考文献：

[1]李天杰，姚程，曹筱欧，魏智博.一种基于物联网技术的智慧家庭能源中心的设计与应用[J].自动化与仪器仪表，2016，（11）：241242.

[2]肖忠祥，戎腾学，范鹏召.基于ZigBee和Arduino开源平台智能网关的设计与实现[J].电脑知识与技术，2016，12（07）：252254.