ZigBee技术在家居智能中的应用

摘 要：今天人们的生活水平和生活质量随着科技的进步和经济的发展，而得到了大幅度的提高。因此人们对家庭居住环境提出了更高的要求，希望家居生活更加智能化、人性化。智能家居因此进入了人们的视线。智能家居是一项综合性的技术，综合了计算机网络、数字化以及传感器等多门学科，同时又融入了人文科学等内容。通过各项先进技术的综合管理，使得人们的生活更加舒适化、高效节能。家居智能中的控制需要连接许多设备节点，这些设备控制命令较少，但需要长时间在线，所以需要家居智能中的传感器具有低速、低功耗、寿命长等特点。该文通过对智能家居的简要介绍，包括智能家居产生背景以及智能家居发展历程；比较了几种无线通信技术，详细介绍了ZigBee技术的特点和优势；最后对整个家居智能系统的设计作了介绍，并详细介绍了ZigBee技术在温度传感器中的使用。

关键词：ZigBee 家居智能 温度传感器

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1674-098X（2014）07（a）-0038-02

1 引言

1.1 智能家居简介

人们的生活水平和质量随着科技的进步和经济发展，而得到了大幅度的提高。因此人们对家庭居住环境提出了更高的要求，希望家居生活更加智能化、人性化。智能家居应运而生。智能家居是一项综合性的技术，综合了计算机网络、数字化以及传感器等多门学科，同时又融入了人文科学等。通过各项技术的综合管理，使得人们的生活更加舒适化、高效节能。家居智能系统的核心技术是：对于内部家庭的网络构建以及智能控制。内部的家庭网具有两种方式进行组网，即无线网络或者有线网络。传统的智能家居系统采用的都是有线网络的方式，采用综合布线实现智能家居。但是这种布线使得成本急剧上升，安装十分复杂。因此人们逐渐转向无线传感方面[1]。

家居智能大体上分为两种类型：家庭的控制网络以及家庭的数据网络。家庭的控制网络能够使得不同的网络之间进行数据的传输，同时也能够相互之间进行通信以及网络等功能。当然这些控制都是低速的，可控制照明灯光、家庭的安防以及应急等实用功能。家居智能中的控制需要连接很多设备节点，这些节点又都需要电池供电。因此，需要家居智能中的传感器具有低速、低功耗、寿命长等特点。

1.2 智能家居发展历程

传统的智能家居都是通过有线的布线方式进行组建的，这样做固然能够使得数据传输稳定，但是却带来了许多问题。人们逐渐采用无线传感器进行数据传输，包括：蓝牙、WiFi、红外以及ZigBee等。这些网络无线技术的逐渐完善，使得家居智能取得了质的飞跃。

20世纪80年代在美国建成了第一栋智能建筑，智能建筑逐渐有了新的概念。此后世界各国都提出了很多基于家居的智能方案。这些智能家居方案在欧美等发达地区以及日本等的应用十分广泛[2]。

20世纪90年代末期，新加坡举办了活动“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”。在这次展览大会上，新加坡提出了基于本国的家居智能系统。这个家居智能系统主要是包括了很多实用功能：智能的家庭控制面板、智能的接入宽带功能、控制家电功能、接入有线电视功能、安防应用以及抄送三表等功能。虽然这些功能在当时只是一个概念，并没有完全融入人们的日常生活中。但是人们相信随着科技的发展，家居智能必将服务现代人们，使得人们能够具有高质量的生活。

2 无线通信技术简介

2.1 蓝牙技术

蓝牙是一种短距离的无线通信技术。通过蓝牙技术，我们能够通过无线的方式，使笔记本电脑、移动电话和无线耳机等各种设备间进行信息交换。我们能够通过蓝牙实现数据的传输，但是蓝牙的连接时间很长，大概需要3～10 s的时间。蓝牙技术的数据传输速率是1Mbps，主要采用了时分双工传输方案实现了全双工传输。蓝牙支持点对多点和点对点的通信，采用了快跳频以及短包技术和分散式的网络结构，工作在医学、工业、科学的2.4 GHz ISM频段，这个频段是全球免费通用的[3]。

2.2 WiFi技术

WiFi无线传输技术具有快速安全和可靠等优点，能够使得计算机能够通过该网络进行互联网的连接。WiFi具有很宽广的覆盖面积，能够达到大约100 m。其缺点是电波容易受到干扰，用户在使用WiFi过程中传输的数据容易被窃听和窃取，用户的信息安全得不到保证。现在WiFi协议不断发展，具有各种各样的安全协议，使得安全性能得到很大提高[4]。

2.3 ZigBee技术

作为一种全新的无线传输技术，ZigBee具有功耗低、传输速率低等特点。其也是工作在2.4 GHz的频段范围内，传输的距离可以达到10～75 m，其协议内容同蓝牙很相似。但是ZigBee通常都是使用在不需要对数据进行连续传输的场合，这是因为ZigBee经常是工作在睡眠模式下。现在世界上有70多个国家加入了ZigBee联盟。在不同的国家和地区，采用了不同的物理层的频段：在欧洲地区是868 MHz、在北美是915 MHz和2.4G。ZigBee更加适合应用在低频率和低传输速率的仪器上，这是因为其采用的是星型网络，主从配合。

2.4 红外技术

在20世纪90年代初期，世界上20多个厂商联合建立红外数据协会。他们将红外通信的标准进行了统一，这就是红外技术。红外技术的初始数据传输是4兆波特率，随着技术的不断发展，现在的传输速率提高了3倍。红外技术更加适用于点对点的短距离无线传输上，这是因为红外技术采用的近红外线的波长很短，因此并不能够穿透物体，或者说在穿透物体时数据会发生偏差。当前红外技术的应用十分广泛，技术已经十分成熟[5]。

2.5 射频设别技术

射频识别技术，也叫做无线射频识别技术。该技术是在1990年流行的一种自动识别技术，这种自动识别技术并不需要直接接触，而是通过射频的方式进行互相通信。射频识别的数据传输精度很高，同时具有很强的抗干扰能力。正是因为射频识别技术不需要进行直接接触，因此在应用的过程中并没有摩擦，同时也不需要可见光源，因此使用寿命很长，耐久性很好。

3 ZigBee技术

3.1 ZigBee协议

ZigBee协议是定义在IEEE802.15.4协议的基础上，IEEE802.15.4是一个新兴的无线通讯协议，是一种低速的标准。该标准对两个层次进行了定义：MAC层以及PHY层。MAC层是介质访问层，其对多个无线的传输信号采用何种方式实现频段共享进行了定义和说明。PHY层是物理层，其对数据的传输速率以及网络的无线频段进行了定义。然而，只对这两个层的定义和规范不能解决数据传输等所有问题。这是由于即使是在这样的规范下，世界各生产厂商所生产出来的设备同样具有兼容性问题[8]。这就需要厂商联合起来，对使用标准进行定义和规范。因此ZigBee联盟成立起来，其规定了不同的设备生产厂商进行设备兼容性的问题[7]。

3.2 ZigBee技术的特点

数据传输速率低：ZigBee技术的数据传输在20～200K波特率之间，可以分成几个频段。依据不同的频段，能够具有与不同的数据传输能力。但是该速度能够满足其一般数据传输的要求[6]。

功耗很低：ZigBee的功耗很低，两节5号电池能够供其在待机时能够工作半年到2年。

成本低：ZigBee技术的数据传输速度比较低，因此具有很简单的协议，成本也就相应减少了。同时该技术协议是开发的，用户在使用的过程中并不需要向相关部门提交专利费。

具有较快的响应速度：将其唤醒到工作状态，所需时间只要15 ms；接入网络时间也仅需30 ms，节约能量。蓝牙接入网络的时间很长，大概需要3～10 s；WiFi接入网络也需要3 s的时间。

3.3 ZigBee协议架构

ZigBee的协议相比较上节所提到的无线标准，具有简单有效的特点。ZigBee的协议在恶劣的环境下也能够很好地工作，只需要很低的硬件配置就能够正常工作[9]。ZigBee具有几个层次的标准，这些标准如图1所示。

4 硬件系统设计

基于ZigBee技术的家居智能系统设计，传感器系统有很多，温度传感器、火焰传感器、烟雾传感器等等，如图2ZigBee技术在家居智能中的应用。本文简要介绍其中的一款温度传感器的设计与应用。

4.1 硬件系统简介

图3为ZigBee家居智能节点硬件示意图，它由射频数据模块、微控制器和外围设备组成，其外围设备包括传感器、执行器、LCD等。

4.2 无线收发器

MC13192是飞思卡尔公司的一款无线收发器。该收发器具有很低的功率消耗，同时工作在2.4 GHz频段下。MC13192在mesh以及star网络上应用良好。如果对MC13192加上相应的MCU控制器后，就能够提供一种合适性价比的数据传输方案。

4.3 主控芯片

本文设计的ZigBee智能家居使用的主控芯片是AT89S52单片机。MSC-51单片机是八位的非常实用的单片机。本文所使用的AT89S52单片机就是基于这款单片机的。MSC-51单片机的基本架构被ATMEL公司购买，继而在其基本内核的基础上加入了许多新的功能，同时扩展了芯片的容量以及加入flash闪存等等。51内核的单片机具有很多优点，因此无论是在工业上还是在一些电子产品上应用都很多。全球也有许多大公司对其进行扩展，加入新的功能。即使是在今天，51单片机仍然在控制系统中占据很大市场。这款单片机具有最大能够支持的64 K外部存储扩展，同时还具有8K字节的Flash空间。该单片机具有4组I/O口，分别是从P0到P3，同时每组端口具有8个引脚。

4.4 液晶模块

液晶模块的功能主要是显示系统的工作状态。例如，进行信道的能量检测时，等检测完毕之后，就可以在液晶上显示检测到的当前信道的能量级别；MCU请求发送数据时，数据是否发送成功，若发送成功就可以在液晶上显示成功，如果发送不成功，则可以根据返回的状态在液晶上显示发送不成功的原因。

4.5 温度传感器

温度检测的方法有很多，比如采用热电偶等。本文采用的是DS18B20温度传感器。该温度传感器采用的是one-Wire总线，即只采用一根信号线与单片机进行连接。该测温传感器能够测量-55～125 ℃的温度范围，同时分辨率能够达到0.5 ℃。工作电压范围很宽，一般为3.0～5.5 V。

5 软件系统设计

5.1 总体设计

整个系统的软件主要可以分成三个层：应用层、协议层以及系统平台层。系统平台层提供服务给协议层，这些工作都是同过调用API程序来实现的；协议层是对物理层和ZigBee网络协议的实现；应用层主要完成传输数据等功能。

5.2 温度测量程序

该论文采用的温度传感器是one-wire总线的器件，与主控芯片进行一根数据线连接，就能够同时实现数据和时钟信号的双向传输。但是这样就要求主控芯片的时序必须具有严格的要求。在出厂之前，每个器件的ROM上都光刻上64位的编码，这个编码地址序列是唯一的，我们可以通过这个编码地址序列来进行多点的组网。本文所设计的温度采集系统，在每一个结点只是用一个温度传感器，因此在程序中并不需要读取其ROM编码。

6 结语

目前在智能家居设备控制已经应用方面各个商家和设备厂商缤纷复杂、百花齐放，对技术的采用和各个系统的融合还存在很大的讨论空间。所以本论文在结合ZigBee技术的优点的基础上讨论了其在温度传感中的典型应用，以希望此论文能够抛砖引玉，为我国现代化技术在智能家居智能领域的发展贡献一点力量。

参考文献

[1]王庆云.基于802.15.4协议的ZigBee协议栈实现[D].济南：山东大学，2001.

[2]张维勇，冯琳，魏振春.ZigBee实现家庭组网技术的研究[J].合肥工业大学学报，2005（7）.

[3]方宏，陈星耀.红外遥控器信号的接收和转发[J].大连民族学院学报，2004（3）：20-24.

[4]蒋挺，赵成林.ZigBee紫蜂技术及其应用（IEEE802.15.4）[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.

[5]马晋兴，乔永卫，刘智荣.基于ZigBee技术的无线家庭控制[J].TECHNOLOGY

PLATFORM，2004（11）.

[6]于海斌，曾鹏，王忠锋，等.分布式无线传感器网络通信协议研究[J].通信学报，2004，25（10）：102-110.

[7]吴慧敏，成谦.基于802.15.4/ZigBee无线传感器网络节点的物理层设计[J].电子产品世界，2006（8）：106-124.

[8]江虹，刘骊.ZigBee技术在智能家居控制器中的研究[J].云南大学学报（自然科学版），2009，31（S1）：109-113.

[9]林恺，赵海，尹震宇，等.无线传感器网络路由中的能量预测及算法实现[J].通信学报，2006（5）：21-27.

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