基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统

２０１３年５月　睫村国蒜珠　规划与设计　

【文章编号】１６７３—００３８（２０１３）１４—００１９—０２　

基于ＺｉｇＢｅｅ技术的智能家居系统设计研究　

项健　

（重庆市江北区４０００２０）　

摘要：近年来，Ａ－４ｒｌ的生活水平随着科技发展而不断提高，进而对生活环境的舒适性和安全性提出了更高的要求，与　

此同时，计算机控制技术不断发展，智能家居系统应运而生。在本文中分析了智能家居系统的特点，并对基于ＺｉｇＢｅｅ技术　

的智能家居系统的设计进行了相关研究。　关键词：智能家居系统；ＺｉｇＢｅｅ＂／￣／－ｉＺ；ＢＯＡ服务器；无线网状组网　

ｌ刖罱　

近些年来，随着电子信息技术和计算机网络技术的发展，人　

们对生活环境的舒适性和安全性也提出了愈来愈高的要求。家　居系统的信息化、网络化、智能化是当前家居系统的发展趋势。　

其中基于ＺｉｇＢｅｅ技术的智能家居系统为人类的生活环境带来了　

一场新的革命。　

２智能家居　

智能家居是以住宅为平台，利用综合布线、网络通信、自动控　制术、音频视频等技术将与家居生活有关的设施集成，构建高效　

的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，对人们居住环境的舒　适性、便利性、安全性以及艺术性等进行了有效的提升ｆ１＿。实现家　

居智能的工具包括先进的计算机技术、网络通信技术以及电力　自动化技术等，这些先进的技术将与家居生活相关的各个子系　

统进行网络化的综合管理。当前短距离无线通信技术发展迅速，　

有效解决了有线网络布线困难以及扩展性差等的不足，应用无　

线组网技术的智能家居系统成为必然的发展趋势。　

３　ＺｉｇＢｅｅ技术　

３．１　ＺｉｇＢｅｅ协议　

ＺｉｇＢｅｅ技术是一种重要的短距离无线通信技术，具有可靠性　

高、功耗低的优势，我们可以采用“层”来量化ＺｉｇＢｅｅ技术体系结　

构的各个简化标准。一个完整的ＺｉｇＢｅｅ协议应包括：物理层；应　

用层；安全服务层；网络层；介质接入控制子层；高级应用层等。　

ＺｉｇＢｅｅ协议框架如表１所示。　表１　ＺｉｇＢｅｅ协议框架　物理层　介质接入控制子层　ＩＥＥＥ８０２．１５．４定义　

Communications & Networks通信与网络

58ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2017.1一种基于ZigBee的智能家居环境信号采集与控制系统设计A design of smart home environmental sampling and control system based on ZigBee戚仕鹏1 谢屈波1 何山21.华中科技大学 计算机科学与技术学院（湖北 武汉 430074） 2. 华中科技大学 经济学院（湖北 武汉 430074） 摘要：本设计基于德州仪器的CC2530芯片，采用低功耗的ZigBee协议与无线局域网混合的方式，实现感知家居的环境参数采集和远程家电控制功能。系统设计简单、性价比高、功耗低、稳定可靠，具有较强的实用性和广阔的市场前景。关键词：物联网；ZigBee；CC2530；环境参数采集；家电控制DOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.1.011项目信息：第二届全国大学生物联网设计大赛决赛ZigBee特别创新奖；首届中户互联网+大学生创新创业大赛湖北省银奖。戚仕鹏（1995-），男，华科Inspiration创新创业技术团队创始人；谢屈波，男，博士，研究方向：公安大数据分析与挖掘（反恐与安防），舆情分析与智能情报系统；何山，男，华科T团队创新创业组长。引言伴随着移动互联网的发展，各类民用级电子产品开始能够连接云端，带有APP的智能硬件如雨后春笋般涌现到消费电子市场，其中不乏适用于家用环境的智能家居类设备。智能家居作为一项提出多年的概念，由于缺乏统一的行业标准，各大品牌的设备相互不能兼容，所以一直没有得到腾飞式的发展。谷歌收购NEST温控设备，苹果公司发布HomeKit，微软发布WinXiot版本，预示着国外IT巨头看好智能家居市场并积极布局。作为隐藏在智能家居背后的通讯协议，除了普通居民耳熟能详的Wi-Fi(家用局域网)外，低功耗的短距离传输协议(如ZigBee、蓝牙和Zware等)也已发展成熟稳定，物联网使得设备间也能相互通信。不同品牌设备之间的开放与互联互通，将图1 感知家居需求与用户用例图图2 感知家居系统与芯片选型52Copyright©博看网 . All Rights Reserved.责任编辑：王金旺

Ｑ：塑　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　ＴｅｃｈｎｏｌｏｇＹ　ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｈｅｒａｌｄ　

基于Ｚ　ｉ　ｇ　Ｂ　ｅ　ｅ的智能家庭无线控制网设计①　

林火养　谭巧　（福建信息职业技术学院电子工程系　福建福州　３５００１　９）　技术创新　

摘要：本智能家庭无线控制罔采用先进的ＺｉｇＢｅｅ短距离无线通信技术，红外学习技术、红外信号无线转发技术，远程控制技术组成　了功能强大的家庭无线控制网。可实现环境检测，安防报警，灯光控制、家用电器控制　场景控制等无线控制及ＰＳＴＮ远程控制。　关键词：家庭无线控制网　ＺｉｇＢｅｅ　红外学习　远程控制　场景控制　中图分类号：ＴＰ２７　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—０９８Ｘ（２００８）１２（ｃ）一００２８—０１　

１引言　

国内外现有的智能家居系统的构建主　

要基于有线网络技术，存在着布线烦琐、　

无法实现移动访问、施工周期长、后期维　

护困难等问题，这些特点限制了它在数字　

家居系统中的应用。因此，引入无线技术　

来解决这些问题的家庭无线控制网络便应　

运而生。　

２　ＺｉｇＢｅｅ技术简介　

ＺｉｇＢｅｅ？是一种新兴的短距离、低功耗、　

低数据速率、低成本、低复杂度的无线网　络技术。ＺｉｇＢｅｅ？联盟的主要应用领域包括　

工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、　

家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。　Ｚｉｇｂｅｅ设备分为全功能设备和精简功能　设备，精简功能设备相对全功能设备协议栈　

简单并且内存更小，只能和某个全功能设备　进行交互。而全功能设备具有完备的ＩＥＥＥ　

８０２．１５．４协议功能，能与其传输范围内的任　

何节点进行交互。两种设备相互组合，可以　组成网状网络、星型网络和树型网络。　

Ｚｉｇｂｅｅ技术的主要优势包括：　

数据传输速率低：ｌ０ＫＢ／秒一２５ＯＫＢ／　秒，专注于低速传输应用。　

功耗低：在低功耗待机模式下，两节普　通５号电池可使用６—２４个月。　

成本低：ＺｉｇＢｅｅ？数据传输速率低，协议　

简单，成本低。　

Ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ　Ｃａｓｅｓ・案例・技术实践　基于ＺｉｇＢ　ｅｅ技术的无线网络研究　李长命　（江苏省计量科学研究院　江苏南京２１０００７）　【摘要】ＺｉｇＢｅｅ技术是一种低成本、低功耗、低复杂度、低速率的近距离无线网络技术，ＺｉｇＢｅｅ协议框架分为四　层。包含多种网络设备类型，并具有诸多技术优势和广泛的应用领域。随着技术的完善和应用的普及，ＺｉｇＢｅｅ技术　已经渐渐融入到人类生产生活的各个角落，对人类科技进步起到巨大的推动作用。　【关键词】ＺｉｇＢｅｅ；协议框架；网络设备；技术优势　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＺｉｇＢｅｅ　Ｌｉ　Ｃｈａｎｇ－ｍｉｎｇ　（ＮａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＭｅｔｒｏｌｏｇｙｏｆＪｉａｎｇｓｕ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　ＪｉａｎｇｓｕＮａｎｊｉｎｇ　２１０００７）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】ＺｉｇＢｅｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｓ　ａ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｉｔｈ　ｌｏｗ－ｃｏｓｔ，ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ，ｌｏｗ　ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ，ｌｏｗ　ｒａｔｅ　ａｎｄ　ｓｈｏｒｔ　ｄｉｓｔａｎｃｅ．ＺｉｇＢｅｅ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ　ｉｓ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ　ｆｏｕｒ　ｌａｙｅｒｓ，ａｎｄ　ｉｔ　ｃｏｎｔａｉｎｓ　ａ　ｖａｒｉｅｔｙ　ｏｆ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｔｙｐｅ．ＺｉｇＢｅｅ　ｈａｓ　ｍａｎｙ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ａｎｄ　ａ　ｗｉｄｅ　ｒａｎｇｅ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｒｅａｓ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｐｏｐｕｌａｒｉｔｙ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ＺｉｇＢｅｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｇｒａｄｕａｌｌｙ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｉｎｔｏ　ｅｖｅｒｙ　ｃｏｍｅｒ　ｏｆ　ｈｕｍａｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｌｉｆｅ，ａｎｄ　ｉｔ　ｐｌａｙｓ　ａ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ　ｒｏｌｅ　ｉｎ　ｐｒｏｍｏｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｈｕｍａｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．　【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】ｚｉｇｂｅｅ；ｆｒｏｔｏｃｏｌ　ｆｒａｍｅｗｏｒｋ；ｎｅｔｗｏｒｋ　ｄｅｖｉｃｅ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　Ｏ引言　ＺｉｇＢｅｅ名称起源于蜜蜂通过飞舞来实现与同伴之　间的信息交互，ＺｉｇＢｅｅ技术是一种低成本、低功耗、低复　杂度、低速率的近距离双向无线通信技术或无线网络技　术。诸多国际知名半导体企业在２００１年８月联合成立　ＺｉｇＢｅｅ联盟，截止到目前已经超过１５０多家芯片生产　商、无线设备提供商及产品供应商加入了ｚｉｇＢｅｅ联盟，　如美国摩托罗拉公司、Ｅｌ本三菱电气公司、荷兰飞利浦　半导体公司等。　１　ｚｉｇＢｅｅ协议　ＩＥＥＥ　８０２．１５．４工作组负责制定低速率无线个人局　域网标准，定义了物理层协议和介质访问控制层协议。　物理层协议规定了网络工作频段以及相应频段上的数　据传输率；介质访问控制层协议规定了同一工作区域中　的多个ＩＥＥＥ　８０２．１５．４信号共享空中信道的方式。ＺｉｇＢｅｅ　联盟开发了网络层协议与应用层协议。网络层协议提供　了能够保证ＩＥＥＥ　８０２．１５．４介质访问控制层的正确运行　・７６・２０１２年６月・ＷＷＷ．ｉｎｆｏｓｔｉｎｇ．ｏｒｇ　的函数：ＺｉｇＢｅｅ协议在网络层和应用层中提供了安全服　务机制，以增强Ｚｉ　ｇＢｅｅ协议的安全服务。　１．１物理层　物理层提供了介质访问控制层和物理信道的接口，　并向介质访问控制层提供数据和管理服务，物理层主要　实现无线设备的启动和关闭、信道的选择、链路质量的　检测、信道能量的检测、数据的收发以及空闲信道的评　估等功能，它是协议栈的底层。　１．２介质访问控制层　介质访问控制层（ＭＡＣ）中公共部分的数据服务访　问点ＭＣＰＳ．ＳＡＰ是ＭＡＣ层向网络层提供的数据服务　接口。ＭＡＣ层管理服务访问点ＭＬＭＥ．ＳＡＰ是ＭＡＣ层　向网络层提供的管理服务接口，主要包含设备同步、对　信道的访问、ＰＡＮ信息库维护、在两个对等实体间提供　可靠传输链路等。　１．３网络层　网络层负责实现设备连接和网络连接机制以及以