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基于ZigBee网络的智能家居系统设计
作者：许云龙
来源：《电子技术与软件工程》2018年第02期
摘 要 从ZigBee技术的特点和智能家居的需要出发，论述了ZigBee技术在智能家居系统中的适用性，并选择了DigiMesh网络进行无线网络的设计，满足了家居设备多样化、可拓展的需求，并具有一定的抗干扰性，可以使网络稳定运行。在传统的室内环境监控和照明系统的基础上，增加了安防系统的设计，并通过汇聚节点连接互联网，组成了物联网的平台，可以通过微信公众号进行普通室内数据的推送和查看，遇到紧急情况可以通过手机短信的方式进行提醒。
【关键词】ZigBee 智能家居 安防系统 物联网 DigiMesh
随着无线通信技术、嵌入式设计、传感器技术的发展，物联网的概念得以产生并真正进入人们的生活，其中智能家居是其中的一部分并且与日常生活息息相关，对传统家居的安全性、可管理性和可靠性方面具有很大提升。使用无线通信技术进行智能家居系统设计，可以有效避免有线方式带来的布局的繁琐，提高了系统的灵活性。
对于智能家居系统而言，网络通讯数据量小、在传输速度上要求也不高，但是家居数量一般较大其具有可变更性，对此需要选择合适的通讯协议进行通信。ZigBee技术是一种新型的短距离、低功耗的无线通信技术，非常适合智能家居系统的需求。 1 ZigBee技术介绍
本文需要进行无线通讯网络的设计，首先要考虑的就是无线通信技术的选择。目前常用短距离通讯技术有ZigBee、无线局域网、蓝牙和超带宽，如表1所示，他们之间有不同的特点。
ZigBee协议是一种双向通信协议，和传统通信协议不同的地方在于，它是针对低功耗、低传输率的无线网络设计的。针对现实中的应用需求，一些著名的ZigBee厂商如摩托罗拉组建ZigBee联盟，并就无线通信协议中的网络层和应用层给出了相应的协议规范。ZigBee标准是从ZigBee协议发展而来的，主要是ZigBee联盟负责标准的相关工作，2014年已发布第一个ZigBee标准。由于ZigBee标准的确定，基于ZigBee的模块及其使用方法也相应发布。 ZigBee具有很多适用于智能家居系统的特点：
（1）传输速率最大只有250 Kbp/s，主要用于短距离小数据传输，对智能家居系统而言，只要是应答信号的响应，不需要很快的传输速率；
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（2）功耗低，每个节点的ZigBee模块在工作模式下的电流大小仅为几十毫安，一般两节电池可以供一个节点使用6-24个月，一次安装之后，短时间就不需要更换电池；
（3）ZigBee协议在通信的可靠性方面较高。ZigBee对数据传输进行专门优化，可以有效避免数据发送时的冲突，每个数据包发送后再进行下一个数据包的发送，用于室内家居，在数据传输方面可以有保障；
（4）传输距离在无遮挡物时可以达到100m，室内环境中一般可以达到10m；
（5）单个ZigBee节点可连接256个节点，具有较大的网络容量，可以满足家居系统中各种电气设配使用以及环境监控的需求；
（6）由于ZigBee协议免费使用，而且使用ZigBee技术的设备技术难度比较小，能够有效地节省设备成本。
由此可知，基于ZigBee技术的智能家居系统布置方便，并且在布置之后，后续管理所需要的成本很低，也不需要人们对此花费很大精里。 2 系统总体结构设计
智能家居系统主要有三部分组成：以传感器技术为核心的智能终端、中央控制器和用户控制终端，如图1所示。
传感器终端为ZigBee模块，可以将其称为信息采集节点，使用支持ZigBee协议的芯片对传感器进行信息采集和控制。终于控制器同样使用支持ZigBee协议的芯片，称为汇聚节点，用于接收信息采集节点发送的数据或者主动发送数据用于对信息采集节点进行控制，两者之间使用ZigBee技术进行无线通信。用户控制终端包括电脑和手机设备，汇聚节点将采集到的信号通过以太网发送到网络服务器，用户根据需要可以通过网页方式进行主动查看或者通过手机微信公众号的方式进行推送；同时汇聚节点内置GPRS芯片，遇到紧急情况例如煤气泄露、着火等可以通过手机短信的发送发送到预先设置好的手机号中。 3 ZigBee节点设计
由系统的总体结构可以知道，信息采集节点和汇聚节点是智能家居系统的主要部分，两者之间通过ZigBee技术进行通信，对此需要对ZigBee技术的网络结构进行研究。
Zigbee技术支持3种标准的网络结构：星型结构、簇树结构和网状结构，如图2所示。 星型结构是最简单的组成方式，包括一个协调器和多个终端设备，终端设备和协调器之间相互通信。簇树网络可以对星型结构中终端设备数量进行了进一步扩充，相比星型结构而言增加了路由器这一种ZigBee节点类型，终端设备需要先与路由器进行通信，然后通过路由器将
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信息传输至协调器进行处理，终端设备与协调器之间不能直接进行通信。网状结构将星型结构和簇树结果相结合，终端节点可以直接与协调器进行通信，也可以通过路由器和协调器进行通信，在设备启动时，终端设备会根据距离协调器的远近，自动选择直接通信或者通过路由器进行通信，力求达到最好的传输效果和最短传输路径。
在3种标准的网络结构之外，还有一些别的网络结构。如图3所示，是DigiMesh网络的结构示意图，该结构是基于Mesh网络，适合用于实际场景比较复杂的使用环境，同时在测量范围上也可以进一步提高。
DigiMesh网络相对Mesh网络而言，对节点上进行了一定简化。在DigiMesh网络中，所以节点在功能上都是对等的。在实际使用时，只需要将其中一个节点设置为协调器，其余的节点经过简单设置之后，可以根据网络中需要自动担任终端设备或者路由器节点的功能。且该网络抗干扰能力和可靠性很强，当某一些节点因为断电或者老化等因素无法正确工作时，通过该节点进行通信的节点会自动选择其余节点进行通信，不会因为一个节点的故障使得整个网络无法工作。
4 无线节点硬件设计
确定了智能家居系统的组网方式之后，我们需要将终端节点与实际使用相结合。如图4所示，先将硬件系统分为三大部分，即室内环境系统、照明系统和安防系统。
室内环境系统主要是通过温度、湿度传感器对室内的温湿度数据进行监控，并将温湿度数据传输至协调器（汇聚节点）对空调或者空气加湿器等设备对室内的环境参数进行调整，使其得到最舒适的人体感受状态。本部分的温度传感器与终端处理器就组成了终端设备，也是信息采集节点，汇聚节点可以通过预设一个温度、湿度的数值，根据节点采集的数据与预设的数值进行比较，在高于或者低于预设值时进行调整，达到一种智能调整的方式。
照明系统是家居环境中最常使用的一个部分。光线传感器可以将室内光照强度发送至协调器，根据时间和明亮程度进行照明系统的调整。比如中午时候，如果光照强度过高，可以选择控制窗帘开关拉上窗帘；傍晚时候，如果室内较暗就打开某一些灯的开关。夜里时候，可以使用声音传感器，例如有人起夜时候可以选择打开卫生间的灯光开门。同时，可以记录各部分照明设备的工作时间，当达到使用寿命90%的时候，可以主动进行提醒，以便及时更换相应照明设备。
安防系统是最不常用的一部分，但是在家居生活中具有重要作用，需要对该部分进行考虑。该部分主要可以包括通过煤气传感器探测以防煤气泄露，在紧急情况下可以通过汇聚节点向设定手机号发送短信。红外传感器可以对人体等红外信号进行探测，可以在晚上睡觉和家里没有人时候开启，安装位置可以选择窗户和门后，当有人经过时，可以向家人进行报警，放置坏人入侵。