ZigBee技术在智能家庭系统中的应用研究

刘江苏

摘要：智能家庭系统中的网络组建和通信是其重要的组成部分。常见的几种短距离无线网络技术各有优势，其中的ZigBee技术在功耗、容量和安全性等方面优势明显。通过对ZigBee技术的研究，为智能家庭系统的设计和实现起到了关键性的作用。

关键词：ZigBee、WIFI、蓝牙、智能家庭

Research on the Application of ZigBee Technology in Smart Home System

Liu Jiang-su

（Chongqing Aerospace Polytechnic，Jiangbei District，Chongqing 400021）

Abstract： The network formation and communication is an important part of smart home system. Common several short-range wireless network technology have their own advantages. The ZigBee technology in such aspects as power consumption， capacity and security. Based on the research of the ZigBee technology for the design and implementation of intelligent home system has played a key role

Key words： ZigBee、WIFI、Bluetooth、smart home

在智能家庭系统中各个设备终端通过何种网络技术实现和家庭智能网关的通信，是整个系统中十分关键的问题。系统的网络通信一方面承担了各个终端将采集的数据发送给家庭智能网关，再由网关存储或者发送给用户控制端，另一方面承担着将用户控制端发出的各种控制指令传送至各智能终端的任务。所以采用何种网络技术将决定智能家庭系统能否可靠、高效的运行。

对于智能家庭系统而言，无线网络传输技术是非常适合的。比较起有线网络，无线网络设备的布置和配置方式更加灵活。目前应用较为成熟和广泛的短距离无线网络通信技术有WIFI、蓝牙和ZigBee等，本文主要比较这些技术的优缺点，对其中的ZigBee技术进行应用研究。

1. ZigBee技术简介

ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其基于IEEE802.15.4标准。从2004年ZigBee的第一个版本诞生至今已有10多年时间，由于其自身的特点，随着技术的不断发展，其在各个专业领域已经得到了广泛的应用。

1.1ZigBee网络组成

在ZigBee网络中支持两类型的设备，一类是全功能设备，其支持任何网络拓扑结构，可以作为网络协调器和路由；另一类是精简功能设备，其只能用于星型拓扑结构中，并且不能作为网络协调器，只能与之通信。

1.2ZigBee的网络拓扑结构

ZigBee网络可以根据应用的需求组成星型结构、网状型结构和树型结构，如图1、图2和图3所示。

其中的星型结构有一个中心设备也就是网络协调器，所有的设备都与之通信，不足之处在于一旦这个中心设备出现故障则整个网络就瘫痪了。

网状型结构的特点就是网络中任何两个设备都可以直接通信，不像星型结构中要依赖于中心设备，但各设备节点维护的信息较多。

树型结构实际上就是星型结构的一种扩展，可以看做是多个星型结构的一种级联，特点与星型结构类似。

2.ZigBee技术优势

现阶段主要的短距离无线通信技术主要有WIFI、蓝牙、ZigBee以及红外线等。各种技术都有着自身的优势和缺点，那么这些技术中哪种较适合用于智能家庭系统呢？通过比较研究我们发现ZigBee技术在智能家庭应用较为合适。

ZigBee技术的主要优点：

①低功耗，这是其技术非常突出的一个优势，2节的普通5号干电池可以提供一个节点6-24个月的正常工作。对于智能家庭系统而言，如温度传感器、烟雾检测器等如果采用ZigBee技术，其低功耗的特性可以使用戶不再频繁的为设备功耗而担忧，同时也非常符合当今世界节能低碳的环保趋势。

现在广泛使用的WIFI技术，相较于ZigBee的低功耗特性其往往需要220v电源供电，当然对于普通智能终端这完全不需要担心。但是在智能家庭系统中，如温度监控器，烟雾检测器等终端一般都体积较小，安装位置特殊，如果采用220v供电，电源布置麻烦、使用也有局限性。

②低成本，对于普通家庭用户而言由于其对设备价格较为敏感，所以ZigBee技术的低成本特性对于智能家庭系统非常适合。由于其简化了协议，节点所需代码较少，更关键的是其没有协议专利费，所以芯片的单价很低。

③大容量，利用ZigBee技术强大的组网功能最多可以容纳65000个节点，这是一般的WIFI网络组网远远达不到的。虽然现阶段一般智能家庭系统不可能需要组建上万个节点的网络，但是随着智能传感设备的增多，甚至多个家庭或者小区规模的网络组建，ZigBee强大的容量特性都给以后的网络扩展留下了充足的空间。

④安全性，由于智能家庭系统通过各种传感器采集了大量用户数据，这些数据相当大部分具有较高的隐私性，同时对各个智能设备的控制可以对家庭中许多重要功能进行控制，所以安全性是整个系统的重中之重。ZigBee技术采用了三级安全模式，分别是无安全设定、使用访问控制清单（Access Control List， ACL） 防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES 128）的对称密码。其安全性能非常突出，至今还没有出现过破解案例，相较于WIFI等技术长期出现的安全问题优势明显。

3.ZigBee技术在智能家庭系统中的应用

基于ZigBee技术的优势我们在设计智能家庭系统时，采用其作为系统的网络传输技术。

3.1智能家庭系统ZigBee网络拓扑结构

在智能家庭系统中ZigBee网络拓扑结构采用星型拓扑，各个感应器和智能终端通过ZigBee模块与ZigBee协调器连接组网，如图4所示。

本项目中之所以采用星型网络拓扑结构主要基于下面的原因：前面提到的网状拓扑结构其优点是网络容错能力强，网络传输距离相对较远并且网络可容纳节点数量较多，但其主要的缺点是网络结构相对复杂，并且由于节点数量较多容易产生信道冲突，同时其价格相对昂贵，这对于家庭用户而言不易接受。星型结构是三种结构中最简单的一种，对于单个家庭数量较少的节点，使用其有简洁和低功耗的优势，比较起其他两种网络拓扑结构都更为适合。

3.2网络组建

ZigBee设备一般有两个地址，一个地址是64位的IEEE地址，这个地址是设备厂商在出厂的时候就已经设置好，并且全球唯一的；还有一个地址是16位的短地址，一般实际应用中用这个地址来标识设备自身和识别其他设备。

ZigBee网络有两个突出的特性就是自组织和自愈功能。所谓的自组织就是指无需人为的配置操作，只需要对ZigBee设备上电，其就可以自动完成网络的配置工作。而自愈功能指的是当网络中有某设备故障，可以检测并命令该设备复位，恢复网络。同时其也具有优良的拓展性，对于智能家庭系统，可能随着应用范围的扩大需要增加新的设备，那么这个新节点要加入网络，只需要在覆盖范围内加电即可。

ZigBee网络组建主要包括以下内容：

首先是系统的初始化。

网络中的协调器通过广播的方式向所有加电的终端节点发送数据帧，随后收到数据帧的节点向协调器发送入网请求，协调器收到该请求后分配其一个16位的地址，同时还要将节点信息记录在相应的地址表中，随后该设备入网成功。这样当系统中的所有设备都入网完毕，协调器采集完所有数据之后，系统的初始化完成。

其次节点通信。

本项目中各个节点之间是不能通信的，根据系统设计他们之间也没有通信的需求，因為都是各自采集不同类型的数据信息。各个设备节点只能和中心节点也就是ZigBee协调器进行通信。系统需要对温度检测节点进行周期性的数据采集，例如需要获取室内温度数据，协调器是采用轮询的方式与之进行通信。另外的比如烟雾检测节点，其只是在需要报警时才输出数据，这类型的节点则以中断方式与协调器进行通信。

其中ZigBee协调器在整个网络中充当了中心节点的功能，其一方面要收集各个感应终端节点采集的数据，例如温度数据，并且将这些数据往上传输给家庭网关；另一方面还要实现对各个节点的设置、操作命令和重启等控制。

最后是网络拓展更新。

随着智能家庭系统的部署使用，可能在一段时间之后需要加入新的终端节点，实现更多的功能。当然也可能某个节点出现故障损坏，需要移除。那么随着节点数量的增加或减少，ZigBee网络拓扑结构必然会发生变化，那么这个时候协调器就必须要及时发现这些变化并且将相应设置进行更改。

4.总结

ZigBee技术是一种较为适合应用于智能家庭系统的网络技术，其相较于其他几种无线通信技术有突出的优势。利用ZigBee技术组网能够使智能家庭系统的实现变得更加高效和简便。我国的智能家庭应用还处于起步阶段，技术手段还在不断的探索和完善，通过对ZigBee技术的研究在一定程度上对智能家庭系统的实际应用和普及有积极的作用。

参考文献：

[1]ZigBee_百度百科 http：//baike.baidu.com/view/117166.htm

[2]王瑞娜. 基于ZigBee技术的智能家居系统的设计[J].三门峡职业技术学院学报.2015.第14卷第1期

[3]金东勇.ZigBee技术在智能家居控制系统中的应用研究[D].2008

[4]赵丽.基于ZigBee技术的智能家居系统研究与设计[D].2011

基金项目：重庆市教委科学技术研究项目《基于无线互联网的智能家庭系统研究》（KJ1402803）