基于ZigBee3.0技术的智能家居系统设计

于国福

（四川长虹电子控股集团有限公司，四川 绵阳 621000）

0 引 言

家庭居住环境智能化程度的提升，可以极大地方便人们的生活，提升居住质量。但是，传统的智能家居组件的网络结构过于简洁，连接节点数量也比较少，并且还存在网络稳定性不强的情况，严重影响人们的居住体验。ZigBee3.0技术主要利用无线通信模组建立点对点的通信方式，无论是在安全性还是稳定性方面都具有突出优势，可以满足不同业务场景的实际需求[1]。在智能家居以及楼宇自动化等环境中，ZigBee3.0技术都具有良好的适配性，可以用来控制家用电器、集中照明以及采暖制冷等。另外，ZigBee3.0技术在工业自动化环境同样可以得到有效应用，提升工业生产的安全性，在医学领域同样可以充分发挥技术本身所具有的网络容量大、响应速度快以及自动组织等技术优势。

1 ZigBee3.0技术特点

现阶段，主流的无线传输协议主要有ZigBee协议、蓝牙技术和WiFi协议等。其中，ZigBee技术主要依靠IEEE 802.15.4标准实现，在智能家居、传感器网络以及工业自动化控制等领域都得到有效应用。ZigBee3.0技术可以将原本处于分散状态的无线标准简化为单一标准，实现多种智能设备的无缝互操作，有效解决不同应用层协议间的互联互通问题[2]。应用ZigBee3.0技术，可以全面提升网络安全性，为端对端的安全通信提供保证。利用ZigBee3.0网络可以连接IP网络，允许智能手机、平板电脑以及计算机等设备通过网络进行本地和远程控制，有助于家居体验智能便捷性的提升。

2 基于ZigBee3.0技术的智能家居系统设计优势

智能家居系统研究工作的开展具有重要的现实意义，其可以有效改善人们的生活方式，为人们提供更加高效、舒适和便捷的居住条件。另外，智能家居系统还有利于提升家居环境安全性，有效保障人们的安全。不断推进智能家居系统的普及工作，有利于整个社会安全性的全面提升。大数据技术支持下的家居系统，不仅可以改变人们的生活方式，还能够改变社会管理模式，促进构建智慧型 环境。

ZigBee3.0技术作为一种新型局域网协议，主要可以用来支撑大量微小互传感器之间的信号传输。将其应用至智能家居系统设计当中，可以改善WiFi、Bluetooth等无线通信技术的应用弊端，进一步拓展传输范围、降低功耗以及应用成本等。

基于ZigBee3.0技术的智能家居系统设计最突出的优势便是低能耗[3]。一般情况下，进行数据传输和处理时，ZigBee无线通信技术只需要1 mW的功率，待机时消耗能源将进一步降低。根据相关实验结果，使用ZigBee通信技术的通信设备，可以利用两节5号干电池持续工作半年甚至更长的时间，明显长于蓝牙和WiFi等技术通信设备的几小时或者几周的工作时间。

使用成本低同样是基于ZigBee3.0技术的智能家居系统设计的突出优势，主要是可以免去专利费用，以此促进用户使用成本的降低，最终达到节约费用的效果。ZigBee3.0技术的通信协议十分简单，对于通信控制器的要求不高。在实际应用中，8051单片机的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32 kB代码，子功能节点可以少至4 kB代码，有利于ZigBee通信技术应用成本的大幅度降低，不仅可以满足正常通信功能，还能够为工作效率的增强以及通信质量的提升提供促进作用。

除此之外，基于ZigBee3.0技术的智能家居系统设计还具有通信延时小的优势，可以为响应速度提供保证，这也是该项技术得到广泛应用的主要原因[4]。应用ZigBee3.0技术，从网络终端到连接网络只需要耗费30 ms，比普通无线通信技术缩短了 5 ms的通信时间。

3 基于ZigBee3.0技术的智能家居系统设计策略

智能家居系统虽然可以满足人们对于高质量家居环境的需求，但是存在市场推广成本高以及管理难度大等问题，智能家居系统的安装也存在一定安全隐患。将ZigBee3.0技术应用至智能家居系统设计当中，可以完善家庭网关，在优化网络拓扑结构设计的基础上实现内部网设计的完善。ZigBee3.0技术还可以适应家居房屋建筑面积所存在的局限性，实现短距离的高效传输，同时有效规避信号传输时的干扰。

3.1 系统设计目标及系统特色

智能家居系统当中的不同子系统拥有统一、集成、友好的操作界面，子系统或者设备基本不独立运行，处于互联、互通、互动的连接状态[5]。以ZigBee3.0技术为基础的智能家居系统，免去了布线环节，主要应用无线组网，系统设计的主要标准为ZigBee3.0标准协议，可以对不同标准的ZigBee3.0设备轻松兼容和接入，在升级和扩展空间方面也比较充足。基于ZigBee3.0技术的智能家居系统的特色可以归纳为无线控制、自由组合、超低能耗以及扩展性强等，具体如表1所示。

表1 基于ZigBee3.0技术智能家居系统特色

3.2 系统功能设计

应用ZigBee3.0技术进行智能家居系统设计，需要设计全开全关功能、家电控制功能、集中控制功能、防盗报警功能、情景控制功能、定时控制功能、远程监控功能、语音控制功能以及自动联动功能等。首先，系统应当具备利用一次性操作将家庭不同功能区域所有灯光以及电气打开或者关闭的功能。手机和平板灯已经成为人们日常生活和工作不可缺少的一部分，因此所设计的智能家居系统应当满足居民利用手机或者平板等对电器以及家居不同功能进行远程控制的要求。很多居民十分关注系统的防盗报警功能，一旦发现水管破裂以及煤气泄漏等异常情况时，尽快将报警信息发送给指定手机。情景控制功能主要是指系统可以支持回家、离家、会客以及就餐等模式[6]。

设计智能家居系统时，应当严格遵循实用性原则、安全性原则以及规范性原则等，充分发挥ZigBee3.0技术优势，完善系统各方面功能。以某智能家居系统功能设计为例，主要运用ZigBee芯片cc2530，采用星型拓扑结构完成组网，借助ZigBee3.0技术实现协调器和节点通信，并且连接串口构成完善的传输链路。

3.3 系统主要组成部分

智能灯光系统、智能窗帘系统、智能暖通控制系统、家电控制系统以及智能报警系统等都属于基于ZigBee3.0技术的智能家居系统的主要组成部分，具体设计如图1所示。系统的不同组成部分发挥着各自的功能，为整体的智能化家居体验的提升提供服务。以智能灯光系统为例，智能触摸型开关代替了传统机械开关，具有多种控制模式，包括本地灯光控制、远程控制、定时控制以及集中控制等多个控制模式，用户可以依据实际需求进行灯光模式的预先设定。智能暖通控制系统将空调、新风、地暖协议转换器放置于智能家居信息箱中，有效转变其协议为http协议，在控制和联动时主要依靠智能家居App。运用智能家居系统对暖通设备开、关以及运行模式进行控制时，终端主要通过RS-485协议接口实现不同区域暖通设备联网型温控面板通信。智能门锁系统将互联网和ZigBee3.0技术融合在一起，借助云服务器、智能手机以及ZigBee终端等进行远程开锁以及信息管理等。

图1 以网关为中心节点的智能家居系统

3.4 区域及控制方式设计

智能家居系统的智能灯光面板主要被设置在入户玄关、客厅、餐厅、厨房、卧室以及书房等区域，主要用来控制不同区域的灯光。场景面板则主要被设置在入户玄关、客厅以及餐厅等区域，方便居民结合自身具体需求启动对应的预设场景，用户可以通过智能家居App个性化设置场景模式内容。窗帘面板和空调地暖面板主要被设置在客厅、卧室以及书房等区域，对电动窗帘以及空调地暖等进行本地控制、远程控制以及定时控制。面板触控、手机App控制以及语音控制等属于智能家居系统的主要交互方式，语音控制的实现主要依靠智能机器人、智能音箱、手机App音控以及Siri语音等。

3.5 家庭网关设计

ZigBee无线技术传感器是家庭网关重要的构成器件，为网络协调的实现提供支撑，同时还可以对网络运行情况进行检测，有效连接不同传感器节点之间的通信。家庭网关不仅具有较强的传输功能，还具有良好的扩展性。在设计家庭网关时，应当紧密结合智能家居的实际情况以及具体功能，完成功能齐全的外部接口设计。智能家居处于快速更新迭代的状态，因此需要在使用一段时间智能家居后，对其进行更新，在设计过程中需要明确数据帧格式，方便后续智能家居设备的更新升级。

家庭网关的硬件处理器以无线低功耗单片机CC2430为主。考虑到软件协议复杂和数据流量大等特点，应当在内含FLASH的CC2430基础上进一步扩展存储器，以此来专门存储红外脉冲码。供电模块以低压差线性可调稳压器TPS78 601为主，将电压稳定至3.6 V，向整个系统输出，还可以在输出部分分别设置2.2 μF和15 pF的电容，以此缩小输出电源的波纹，避免输入端受到明显干扰。短信收发则主要应用GR64模块这一工业级无线调制解调模块。该模块具有丰富的外设接口。短信模块和单片机CC2430之间的通信主要依靠RS-232协议。这两者为GSM网络和ZigBee网络提供数据转换通道。

4 结 语

ZigBee3.0技术的出现，为打破不同产品类型、不同品牌以及不同应用场景之间的壁垒提供了可能。以这一技术为基础完成智能家居系统的构建，可以明显提升系统控制的智能化程度以及便捷性，支撑不同类型智能家居产品的互联互通以及多平台操作，满足智能家居系统的通信需求，属于现代化智能家居系统当中较为理想的通信方式。今后，应当进一步发挥ZigBee3.0技术的高稳定性、高安全性、高效率以及低成本等优势，促进智能家居行业的进一步发展。