基于ZigBee技术智能家居系统的研究

冯英伟 王庆福 王启元

（1.河北建筑工程学院，河北 张家口075000；2.辽宁行政学院，辽宁 沈阳110161）

0 引 言

随着现代科技的迅猛发展，人们对高质量生活的追求越来越高，各种智能化技术应运而生，住宅智能化就是其中一种.由于人们对新兴的技术的不断探索，家居智能化技术的内容得到了充分的补充与完善.智能家居技术涵盖多个领域，以提高生活质量为前提，充分利用自动控制技术、安全监测技术、视频切换技术、网络通信技术等现代较成熟的技术，把已有的家居电器与传感器、节点、通信设备进行合理安排与整合.作为一种将要普及的应用，一定要做到简捷，方便，易于维护.把人、家电和技术组成井井有条的智能家居系统.ZigBee技术作为近年来新兴的近距离无线通信技术，从它低速率和低成本的特点出发，它基本可以满足如家庭这样小型化系统的要求.

1 ZigBee技术

1.1 ZigBee的技术特点

（1）安全可靠.由于ZigBee采用AES－128加密算法，同时ZigBee数据校验功能较好.

（2）成本低廉.

（3）功耗低.在低耗电待机模式下可以坚持一年左右.

（4）ZigBee采用的是免执照频段.

（5）延迟短.通常在15～30毫秒之间.

（6）数据传输速率低.

（7）近距离传输.有效覆盖范围10～100米.

1.2 ZigBee协议

ZigBee节点要进行相互的数据交流就要有相应的协议，包含物理层、MAC层、网络层、安全服务层.每个ZigBee设备都与一个特定的模板有关，这个模板可能是私有模板或公共模板，这些模板定义了设备的应用环境、设备类型等.公共模板可以确保不同供应商的设备在相同应用领域中的互操作性.应用支持子层（APS）是应用层重要组成部分，所有端点都使用应用支持子层（APS）提供的服务.APS通过网络层和安全服务层与端点相接，并为数据传送、安全服务提供服务.

APS使用网络层提供的服务，网络层负责设备与设备的通信，并负责网络中设备初始化所包含的活动.ZigBee协议较简单，易于实现在智能家居中，每一层协议都有其特定的任务，并由下向上提供服务，层层联系紧密，各层之间通过逻辑链路提供服务.

2 基于ZigBee技术的智能家居系统的结构与工作原理

ZigBee标准有三种网络拓扑结构：星型，网状型，树型.家电设备可能分布在家庭中的不同地方，而且家电数量比较多，分布集中，房屋构造与家居摆设会影响每个设备的通信范围，致使覆盖面积减小，浪费资源.同时这个网络应具有可扩展性，可以随时增加设备与节点，便于更新网络结构.该网络还应具有较高的安全性与可靠性，且易维护，不应因少数设备的损坏而影响整个网络.针对上述的一系列问题，本文所述的智能家居系统选择了星型拓扑结构.

本文智能家居系统采用大量的ZigBee传感器节点构成控制网络.ZigBee子节点中的中央处理器对其所属设备进行实时监控，并采集温度、湿度、设备电压电流等数据.传感器节点将采集到数据沿着自己所建的路径传送给与传感器相连的ZigBee无线通信模块，再传输汇聚到主节点，ZigBee子节点与Zig－Bee主节点进行通信依赖ZigBee协议.具体过程如下：传感器作为接受电器信号的节点，应先接通电源，传感器节点首先要把信息传给ZigBee模块，传感器与ZigBee模块建立通信后，若无其他信号，传感器与ZigBee模块进入休眠模式.当ZigBee主节点收到了中断请求信号，随后主节点出发中断，此节点处于运行状态，用于发送与接收各种信息包，由于接收到的信息比较多而杂，所以接收数据时用数据处理子程序分析，对不同的数据分类，校验，然后根据结果做出相应的反应.每次接收结束后，传感器与节点继续进行休眠，如再来请求，则继续按照上述运行.如果一次有多个请求同时来，主节点不能一次全部相应，就会有一些丢失，那些未被响应的请求应再次发出请求，直到被响应为止.

网络服务器为用户与家电设备架起一座桥梁，实现智能家居系统与用户间远程交互家电设备信息数据.用户通过Internet网络可以随时查询到家电设备的数据，监控管理家电设备的运行情况，若遇到异常情况，用户可以响应家居报警机制，使用户在第一时间发现危险并及时处理.通过设计，本系统基本能实现家居防火、防盗监控，家居室内温湿度监控，远程开关控制等功能.根据ZigBee技术的成本较低、可靠性能好、技术简单高效等特性，再加上智能家居对数据传输速度，管理控制等指标要求一般，这种设计完全满足家庭的需求.这种星型拓扑结构不仅简单，而且易于维护，提高了该系统的安全性能.图1描述了该智能家居系统的体系结构图.

图1智能家居系统的体系结构图ZigBee无线通信ZigBee无线通信ZigBee子节点...空调传感器热水器传感器ZigBee子节点灯光控制传感器ZigBee子节点温湿度传感器ZigBee子节点ZigBee主节点用户网络服务器.

图1 智能家居系统的体系结构图

3 结 语

ZigBee技术的众多优点都很适合智能家居这个应用背景.其低功耗，短距离低速传输功能使得它在日常家居环境中的应用游刃有余.本文介绍的基于ZigBee技术的智能家居系统的研究，从实际情况出发，提出了大多数家庭都适用的结构，设计思路清晰、设计方案简单，采用的设备成本低，将ZigBee技术与日常生活实际应用结合，有助于智能家居系统的推广，可用于现代家居管理，具有较强的实用性，虽然这种应用还没普及，但我相信随着时间的推移，人们对这种技术的了解逐步加深，这种应用一定会大有发展.

［1］齐胜涛，刘翔宇.国内外智能家居的研究现状及可实现的功能分析［J］.科技信息，2011

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