基于ZigBee技术的智能家居系统设计与应用研究

杨蒲菊

摘要：随着网络信息时代的快速发展和通信技术的不断进步，越来越多的人向往智能化、信息化和网络化的生活方式，实现智能控制家居行业引起人们的广泛关注。该文主要介绍了ZigBee技术在智能家居中的优势、对ZigBee技术协议进行了解读，阐述了ZigBee技术性能优势及ZigBee技术在智能家居系统的设计与应用研究。

关键词：ZigBee技术；智能家居；系统设计与应用

中图分类号：TP393 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）09-0090-02

1 概述

随着互联网信息时代的不断进步，人们对生活环境的要求也越来越高，智能家居已慢慢进入到普通百姓的家庭生活中。ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的低功耗LAN协议，它的多种性能优势符合智能家居对通信系统的要求，ZigBee技术在智能家居系统设计中能够充分考虑到智能家居系统的功能和应用领域，可将灯光照明、智能窗帘、视频监控、音频系统、家电设备等全部融合在一起，可以为人们提供居家的智能环境，使该技术进一步优化系统设计。ZigBee的通信协议也广泛应用于电子产品和家用智能设备，它结合了系统中的各种单元以形成共享网络，通信协议通过技术手段将家中隔离的家用电器相互连接，形成统一的自动控制智能系统，充分利用互联网技术远程控制和监控各类电器，方便电器的运行，体现智慧的体验和感受，更好地实现智能控制。ZigBee技术不仅在智能家居行业得到广泛应用，也在个人健康监护、工农商业、消费电子、pc机外围设备等行业领域广泛应用。如图1所示。

2 ZigBee技术协议的解读

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的LAN协议。根据国际标准，ZigBee技术具有紧密接近、低复杂性、自组织、低功耗和低数据速率的特点。是一种廉价，低功耗，短距离的无线网络通信技术。在自动控制领域、远程控制领域得到有效的使用，也可嵌入各种设备中使用。

ZigBee协议是从下到上的物理层（PHY），媒体访问控制层（MAC），传输层（TL），网络层（NWK），应用层（APL）等。物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准，如图2所示。

3 ZigBee技术性能与优势

ZigBee是一种无线连接，工作频率为2.4 GHz（全球），868 MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行），传输速率高达250 kbit / s，20 kbit / s和40 kbit / s。速率，其传输距离在10-75米的范围内。ZigBee作为无线通信技术，它也具有如下优势：

1）ZigBee的传输速率比较低，传输功率也仅有1mW；因采用睡眠模式的原理，消耗的功率也比较低，所以ZigBee设备非常省电。据证实，只使用两节5号电池，ZigBee设备可以持续长达6个月到2年，这远远超出其他无线设备的范围。

2）ZigBee模块的成本比较低，其协议也是免版税的。ZigBee模块的初始成本约为6美元，随着ZigBee技术市场的扩大，慢慢也将降至1.5-2.5美元。

3）具有短延迟优势。在通信延迟、睡眠状态上的延迟都非常短。在典型的搜索设备上，延迟30ms；在睡眠激活，延迟15ms；在有效设备信道访问上，会延迟15ms。所以，ZigBee技术在具有时间关键无线控制上应用比较广泛。

4）网絡容量非常巨大，在网络组网方面，也非常灵活。星形ZigBee网络结构可以容纳1个主设备和254个从设备，并且一个网络区域内可同时存在100个ZigBee网络结构。

5）ZigBee技术具有很高的可靠性与安全性。为固定带宽的通信业务预留专用时隙，在传输数据的时候会出现竞争和冲突，ZigBee技术通常会采用冲突避免策略应对。MAC层在数据完整传输的过程，要求接收器对传输的每个分组进行完整确认。如果在传输的过程中出现意外，可以选择重新发送。ZigBee技术支持身份验证和身份验证，具有循环冗余校验（CRC）数据包完整性检查的功能，AES-128加密算法使每个应用程序具有灵活可靠的安全属性。

在此基础上，ZigBee技术与其他无线设备相比，也具有很多优势。如图3 所示。

4 基于ZigBee技术智能家居系统设计与应用

本系统设计主要基于ZigBee的网络，通过使用移动APP终端，利用家居环境控制系统和数据传输网络将家居环境情况组建成一个网络，并在APP终端登录网络，实现对家居环境、家电设备控制的智能家居系统。

4.1照明控制系统

ZigBee技术用作基础的照明控制，主要采用一对一，一对多控制。通过控制器也对一路灯光开关控制，另外一路灯光调光控制。通过使用被动红外探测器，使得上述一路灯光进行开关控制，做到人来自动开灯，人走后延时自动关灯，或是人走时通过控制器按键关灯。用户可以通过无线通信远程控制灯光开关和强度，实现一键式场景控制制动效果，也确保用户通过手机APP实现照明控制，充分利用智能产品带来的便利。

4.2智能窗帘控制系统

室内的窗帘通过控制器进行打开或关闭，结合场景控制器对室内进行照明灯光的开关、调光控制，实现一键式场景的控制效果，并通过手机APP控制遥控灯和窗帘。当系统接收到发出的信号时，窗帘自然会做出相应的响应。如果提前设置窗帘开关时间，或根据灯光调节窗帘开关，可以使用户在更舒适的环境中工作和生活。

4.3视频监控系统

本系统设有旋转监控，主要监控户外、室内无死角的场景位置，并将监控到的视频进行存储、传输、播放、回放和拍摄。根据个人需求，用户可以调取每个监控的实时视频并进行播放。实时监控随时可以知道家中发生的事情，当用户想知道过去家中发生的事情时，只需使用手机APP点击即可轻松查询视频或将其下载收集证据。

4.4音频控制系统

在居家环境中，音乐能够使用户得到全面的放松和愉悦，不管是在客厅、餐厅还是房间用户都能够随时随地切换自己喜欢的背景音乐。可以提供外部可控声源（如CD，DVD等）、触摸屏播放的MP3文件、导轨式收音机模块、一个或多个无须控制直接输入信号的外部音频源（例如MP3播放器，笔记本电脑）等以上4个的音频源选择，然后将背景音乐控制集成到场景控制中。背景音乐执行器控制音乐的切换、开关、音量调节以及收音机频道调节，通过场景控制实现该设备背景音乐的场景调用，并通过手机APP实现后台控制音乐。

4.5家电控制系统

不同的家用电器具有不同的控制指令，在同一家用电器中也具有多种功能，这些都可以通过家电控制系统来实现控制。本系统将通过在电脑、冰箱等家电设备中安装智能的传感器数据采集装置，通过对ZigBee节点进行设置，并将这些信号进一步转化为可传输的数字信号，并根据节点排列。通过ZigBee组网模块设计专门网络，设计移动客户端，在客户终端 APP 通过 4G 网络登录，便可以查看所传输的信号，实现了家用电器与远程开关控制的联动控制。因此，智能家居系统设计整体框架如图4所示。

5 结束语

智能家居的快速发展离不开无线网络通信技术的发展。在国内，人们对居家环境所追求的智能化、低成本、低功耗的智能家居环境，通过ZigBee技术可以实现和满足。ZigBee技术的大容量网络，自动灵活组网和修复，高可靠性和高安全性也是智能家居的最佳选择。因此，ZigBee技术的发展将伴随智能家居的发展不断进步和完善，ZigBee技术与智能家居的融合，最终会将智能家居得到更广泛的应用。

参考文献：

[1] 朱文杰.ZigBee通信技术在智能家居建筑中的应用[J].通信设计与应用，2017（12）：142.

[2] 王署光.基于ZigBee技术的智能家居系统设计与实現[J].通信电源技术，2017（34）：165.

[3] 黄庭庭.基于ZigBee的无线通信技术在智能家居中的应用[J].电子制作，2018（1）：48.

[4] 周芳媛.基于ZigBee技术的智能家居系统设计 [D].大连：大连理工大学，2013.

[5] 王海燕.Zigbee 技术在智能家居网络设置中的应用[J]. 河南教育学院学报：自然科学版，2016 （6）：25.

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