基于ZigBee的智能家居系统研究

【摘要】智能家居系统由主控制器、遥控器和智能终端构成，能够对灯光、窗帘、家用电器、智能插座等家用设备进行手自动控制。智能家居系统采用低功耗ZigBee无线技术组网，每个智能家居设备都包括一个ZigBee通信模块负责无线数据的接收与发送。智能家居系统的控制策略包括手动控制，情景模式以及时间程序等。

【关键词】ZigBee；智能家居；无线技术

1.前言

随着社会经济的发展，人们对家居生活环境的要求日益提高。智能家居系统结合计算机技术、自动控制技术和网络通信技术，为家庭生活提供便捷、舒适、安全、节能以及健康等各方面服务，大大提高了生活质量，发展势头迅猛。

传统的智能家居系统采用总线技术产品，在装修前，要预埋通信管线，工程量大、投资成本高，装修好的房子则很难再进行改造安装家居系统，这个缺陷限制了智能家居系统的推广。采用ZigBee无线技术组网的智能家居系统，不但能够有效的控制灯光、窗帘、家用电器等设备，而且省去了预埋通信总线的麻烦，大大降低了施工的难度，缩短施工进度、降低成本。

2.方案设计

2.1 ZigBee技术简介

ZigBee是一种短距离、低速率、低功耗、低成本无线网络技术，它工作于免执照的2.4 GHz ISM频段，传输速率为20～10MKbps，传输距离为几十米到几百米之间，网络容量大，可容纳65000个设备。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES2128加密算法。智能家居系统的特点是终端数量多，一套家居系统有几十个甚至上百个点；通信距离短，一般在一套房子的室内外小范围通信；数据量少，通信数据大部分是控制命令以及一些检测数据。为此，ZigBee技术非常适合应用在智能家居领域，甚至可以说是为智能家居系统量身定做的。

2.2 总体方案设计

智能家居系统由主控制器和智能终端以及遥控器等构成，智能家居系统结构如图1所示。

其中，主控制器负责家居系统的组网以及控制策略的执行。主控制器采用三星公司ARM11处理器S3C6410，处理器主频采用533MHZ，计算处理能力强。通过10寸的触摸屏、音频模块和USB鼠标接口等实现人界交互，采用32MSD卡存储控制系统信息。通过主控制的GSM模块，用户可以很轻松的使用用手机对智能家居系统进行远程监控。主控制器采用WindowsCE6.0嵌入式操作系统，并在此基础上开发应用软件。Win-

dowsCE6.0其软件资源丰富，界面友好，可裁剪程度高，非常适合主控制器的软件应用。主控制器的结构如图2所示。

智能终端包括灯光控制器、窗帘控制器、家电控制器、智能开关插座以及安防消防设备等，是智能家居系统的控制以及执行设备。智能终端包括一个ZigBee模块负责无线数据的收发。遥控器包括一块LCD屏幕作为控制菜单选择，可以对智能家居系统的各个设备发出控制命令，遥控器平时不操作的时候，采用休眠模式以降低电池功耗。

2.3 控制策略

家居系统的控制策略是其智能性的主要体现，其设计的合理性，直接影响到用户的舒适体验。智能家居系统中，共设计了手动控制，情景模式和时间程序三种模式。其中，在手动模式下，家庭智能终端可以通过遥控器以及主控制器的触摸面板进行直接控制，这样用户就可以很方便的对家里的所有智能终端及家用电器进行控制，而无需再用家用电器的其它红外遥控器，手动模式具有最高优先级，以便在紧急状态下，用户能够直接控制家居设备。在情景模式下，各智能终端按照预先设定的值执行，情景模式包括起床模式、聚餐模式、假日模式以及安防模式等，用户通过主控制器对情景模式设定值进行配置。也可以通过在主控制器上设置时间程序，来确定某个设备在特定时间的开或关，比如，在早上七点起床时刻，开启窗帘；下午下班前，先将家里的某些烹煮电器的智能插座上电。通过这三种控制策略，大大提高了智能家居系统的智能化程度。

3.ZigBee通信设计

3.1 ZigBee组网设计

ZigBee网络分为星型网、树簇型网、以及网型网三种。根据智能家居系统的特点，采用树簇型网的方式进行组网，网络结构如图3所示。树簇型网络中节点类型分为终端器、路由器和协调器三种，其中终端器（End Device）是网络的终端，只能收发数据不能转发数据，遥控器以及低功耗设备采用此类节点类型。路由器不但能够收发数据还能转发数据，部分通过强电供电的智能终端为此类节点类型（如灯光控制器、窗帘控制器、家电控制器等）。协调器负责网络的组网，是整个网络的中心，主控制器为此类节点类型，一个智能家居网络中，只有一个主控制器是协调器。为了有效管理网络，可以通过智能终端上的配置按钮进行配置，一个智能终端可以任意配置成终端器或者协调器节点类型。采用树簇型网优点在于让低功耗设备可以节约电池功耗，设置成终端器的遥控器，平时不发送数据的时候，可以将处理器设置成休眠模式，电池可以用长达一年之久；保证网络中路由器的数量合理，即能有效的转发数据，又不会使得路由产生过多的额外开销。

3.2 ZigBee通信模块设计

为了方便设备设计，采用模块化的结构形式，每个智能家居设备都包括一个ZigBee模块，此模块负责基于ZigBee网络的数据通信。模块采用TI公司的CC2430芯片，它支持TI的Z-Stack协议栈，内部集成了低功耗的8051单片机，包括通用IO口、A/D转换接口、SPI口、以及串口等，接口资源丰富。模块通过引出通用接口，来支持智能终端功能的设计。通用接口如4图所示，通用接口主要包括P0、P1和P2通用IO口，其中P2可以配置成特殊功能口。通用接口可以为家居智能设备的电路设计提供相应的硬件资源，只要再设计一块功能模块与ZigBee模块组合，便可以实现设备的功能。

4.结束语

该智能家居系统实现了对家庭灯光、窗帘、家用电器、插座以及消防安防等的智能化控制，使得家居生活更加便捷、安全、舒适、高效与健康。通过ZigBee低功耗无线技术组网，使得整个系统布线简单，装修维护方便，为智能家居系统的推广提供了有利条件。

参考文献

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作者简介：王坚锋（1983—），男，浙江泰顺人，浙江工业职业技术学院电气工程分院讲师，研究方向：楼宇智能化工程技术。