基于Zigbee3.0技术的智能家居系统设计

温 琳

（朗高科技有限公司，江苏南京 210019）

智能家居系统结合智能安防、智能传感、智能家电等产品，融合自动化控制、计算机网络和网络通信技术，在一个操作平台上实现智能灯光控制、智能窗帘控制、智能暖通控制、家电控制、智能报警、智能安防、远程控制、语音控制等功能，用户可以使用手机、PAD等智能移动终端，对设备进行本地、远程控制，使用语音机器人实现语音控制，使用智能传感器实现自动联动[1]。

1 Zigbee3.0概述

1.1 主流无线通信协议概述

目前，主流的无线传输协议包括Zigbee协议（IEEE802.15.4）、蓝牙技术（IEEE802.15.1）以及Wi-Fi协议（IEEE802.11）。

（1）Zigbee技术特点。

Zigbee基于IEEE802.15.4标准实现，具备低功耗、低成本、低速率、短距离、短延时、高容量、高安全传输等特点，被广泛应用于智能家居、传感器网络、工业自动化控制等领域[2]。

（2）Wi-Fi技术特点。

Wi-Fi（IEEE802.11x）可以解决办公网和校园网中用户与用户终端的无线接入。无线电波覆盖广，网络速度较高，移动性好。Wi-Fi以提高功耗为代价提高带宽，在工业及环境较恶劣场所的应用具有较多限制。

（3）蓝牙技术特点。

蓝牙技术是爱立信公司提出的近距离无线通信规范，能够在设备间进行方便快捷、低成本、低功耗的数据和语音传输，是无线个域网（WPAN）的主流技术之一。蓝牙在2.4 GHz频段工作，带宽低，连接距离小。蓝牙技术兼容性和抗干扰能力较差，传输距离较短，成本偏高。

1.2 Zigbee3.0的技术特点

Zigbee3.0将分散的无线标准简化为单一标准，可以在众多智能设备上实现无缝互操作，实现不同类型被控设备的互联互通，解决不同应用层协议间的互联互通问题，具有较好的开放性、普遍性和完整性[3]。Zigbee3.0增强了网络的安全特性，在不同的功能层分别定义安全Keys，采用128位对称密钥实现数据解密和加密，实现端到端的安全通信。Zigbee3.0网络可以连接IP网络，允许智能手机、平板电脑和计算机等设备通过网络进行本地及远程的直接控制。Zigbee3.0的新版本表现出更加开放与包容的态度，为整个物联网生态链的扩展，尤其是智能家居的新体验起推动作用，建立不同设备间的通信连接网络，使智能家居产品连接同一个网络，使家居体验更加智能便捷。

2 系统设计

2.1 设计目标

智能家居各子系统的操作界面是统一、集成、友好的，子系统或设备不独立运行，可以互联、互通、互动。

2.2 系统特色

基于Zigbee3.0的无线智能家居系统采用无线组网，无须布线。

无线智能家居系统采用标准Zigbee3.0标准协议，可以轻松兼容、接入各种标准Zigbee3.0设备，具备充足的升级和扩展空间。

基于Zigbee3.0无线智能家居系统如表1所示。

表1 基于Zigbee3.0无线智能家居系统

2.3 功能设计

全开全关功能：通过一次性操作可以打开或关闭家居各功能区域所有的灯光和电器。

家电控制功能：通过手机或平板电脑可以远程控制电器的开关，对空调温度、风速、模式等参数进行调节。

集中控制功能：利用手机或平板电脑可以控制家居各功能。

防盗报警功能：家里出现异常情况（电管破裂、煤气泄漏、门锁异常打开等）时，报警信息会在第一时间被发送至指定手机。

情景控制功能：支持多种情景功能，如回家、离家、会客、就餐、影院等模式。

定时控制功能：可以预设定时，控制灯光及电器的定时开关。

远程监控功能：能够通过手机屏幕实时查看家里的情况，通过摄像头实现双向对讲功能。

语音控制功能：利用语音机器人、语音面板、手机APP语音操控智能家居设备。

自动联动功能：使用指纹开启家居门锁时，联动开启回家欢迎模式；室内空气浑浊时，联动开启新风系统；室内气温过高时，自动开启空调。

2.4 系统构成

（1）智能灯光系统。

将传统机械开关转变为智能触摸型开关，实现本地灯光控制、远程控制、定时控制、集中控制，能够预先设定灯光模式。

（2）智能窗帘系统。

利用智能触摸窗帘面板或数字终端实现窗帘拉开、闭合、暂停的本地和远程控制，配置窗帘遥控器实现远程操作。

（3）智能暖通控制系统。

在智能家居信息箱中放置空调、新风、地暖协议转换器，将空调、新风、地暖协议转换为http协议，由智能家居APP实现控制以及联动。

智能家居系统控制暖通设备的开、关、运行模式设定，终端通过RS-485协议接口实现各区域暖通设备联网型温控面板通信。

（4）家电控制系统。

智能家居系统可以采用两种方式控制家中的家电设备，通过红外学习设备控制家中所有基于红外信号控制的家电，可以实现开关、温度调控、音量增减等功能；在五孔插座的基础上加装智能插座，实现家电的开关、远程、定时、自动联动控制。

（5）智能报警系统。

在厨房安装可燃气体探测器、烟雾探测器，探测厨房的燃气、烟雾浓度，浓度超过设定值时，探测器及声光报警器发出声光报警，推送报警消息至业主手机APP及物业管理中心，自动联动机械手，关闭燃气阀门。

（6）智能门锁系统。

智能门锁利用互联网和Zigbee技术，结合云服务器、智能手机、家庭网关和Zigbee终端，可以实现远程开锁、信息管理功能、开锁权限管理和防盗报警功能，能够极大地提高智能门锁的可控性和安全性。

（7）访客对讲系统。

将智能家居控制系统与访客可视对讲系统进行有效结合。对讲系统与手机无线联动，实现访客呼叫业主终端时，将呼叫信息推送至业主手机，实现移动对讲。

（8）安防监控系统。

在玄关客厅区域安装摄像机，远程呵护儿童及老人。家中突遇紧急情况，如有人入侵偷盗时，报警信息会联动截图推送至手机。

（9）远程控制系统。

用户可以在智能APP上注册账号，通过家庭无线局域网连接智能网关，对智能家居设备进行本地设备控制，也可以注册云账户，通过云端对家居设备进行远程控制。

（10）语音控制系统。

利用语音系统命令控制智能家居设备。

2.5 区域设计

在入户玄关（过道）、客厅、餐厅、厨房、主卧、次卧、书房设置智能灯光面板，对灯光进行本地、远程、场景控制。在入户玄关（过道）、客厅、餐厅设置场景面板，住户可以根据实际需求启动预设场景，场景模式内容用户可以在智能家居APP上自定义设置。在客厅、主卧、次卧、书房设置窗帘面板，实现本地、远程、定时控制电动窗帘，窗帘面板可以配合情景模式使用。在客厅、主卧、次卧、书房设置空调地暖面板，自动调节空调、地暖系统。在厨房设置新风控制面板，自动联动新风机进行新风控制。在厨房设置气体探测器，进行有害气体报警检测。在客厅设置智能家居网关、智能音箱，实现自动控制、语音控制。

（1）控制智能灯光。

智能控制照明可以实现灯光的本地和远程控制。利用手机、平板和面板实现灯光的远程和定时控制，可以单独控制灯光开关，实现场景控制。业主可以自行设计灯光组合，迎合使用者的心境。

（2）控制电动窗帘。

通过手机、平板或墙面的开关面板实现控制窗帘，移动端可以实现窗帘精准行程控制。

（3）控制暖通空调。

利用手机或平板等移动端，控制空调、地暖的开关、温度、风速和模式；实现本地和远程控制；实现场景集中控制，如一键全开、一键全关。定时设定温度，根据需要在每个时间段设定每个房间的温度。根据环境自动调节室内温度，达到最佳舒适状态。

2.6 控制方式设计

智能家居系统涉及3种交互方式，包括面板触控、手机APP控制和语音控制。通过智能面板开关进行触摸控制；通过手机APP对智能家居产品进行本地、远程控制，对智能设备进行联动场景DIY设置；通过智能机器人、智能音箱、手机APP音控、Siri语音实现语音控制。

3 结语

Zigbee3.0对网络行为进行规范，保证对之前规范的向前兼容性，显著提高不同设备间的互操作性，保证和市场存量产品的互通。Zigbee3.0有机会打破不同产品类型、不同品牌甚至不同应用场景间的组网壁垒，可以使智能家居或其他IoT网络的组建和控制变得更便捷。未来市场中，智能家居产品能够互联互通，实现多平台操作。越来越多的品牌和产品将支持开放平台系统。