浅析Zigbee技术在智能家居应用中的优缺点

浅析Zigbee技术在智能家居应用中的优缺点

时间：2012-07-25 12:37:44 来源：北极星作者：

目前看可视对讲和智能家居已经朝着全数字化、智能型方向发展。随着电脑芯片技术的革新和价格的大幅度降低，今后基于电脑平台的产品是一定会成为所有产品的思路。但是可视对讲/智能家居系统数字化、网络化之路漫漫，由于全数字化可视对讲和智能家居产品在施工中最大的问题是对于小区宽带的要求很高，也带来相应的网络瓶颈、病毒冲击、网络风暴等一系列的问题，同时也造成设备对网络可靠性的要求极高，可想而知，如果网络出现问题，面临的将是所有系统的瘫痪问题，因此网络的可靠性对于该系统的来说是最关键的，反而全数字化可视对讲和智能家居产品的可靠性退而次之了。因此鉴于以上考虑，厂家应就如何解决依附于网络技术下，提高可视对讲和家居智能控制系统产品可靠性和避免网络冲击，网络安全漏洞和规范远程控制及外界攻击所带来的自身系统的瘫痪问题就成为了目前最现实和最难解决的技术瓶颈了。

ZigBee技术最佳应用范围是无线传感网络中，例如水文监测，污染监测等场景中。这些应用场景往往需要多个节电自组网，相互之间传输数据，便于维护和扩容。今年来，国内外也有很多厂家把Zigbee技术应用在智能家居的场景中，下面，我们就看看Zigbee技术在智能家居中，到底有哪些优缺点呢?

ZIGBEE技术简介

Zigbee是基于IEEE802.15.4的通信协议，IEEE802.15.4处理低级MAC层和物理层协议，而Zigbee协议对网络层和API进行了标准化。Zigbee完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。

Zigbee是一种新兴的近程(10米~100米)、低速率(250Kbps标称速率)、低功耗的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。具有低复杂度、低功耗、低速率、低成本、自组网、高可靠、超视距的特点。主要适合应用于自动控制和远程控制等领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的、低功耗、自组网的近程无线通讯技术。

ZIGBEE在智能家居中的优点

Zigbee技术在智能家居中的应用，具有以下优点。

抗干扰力强：Zigbee收发模块使用的是2.4G直序扩频技术，比起一般FSK，ASK和跳频的数传电台来，具有更好的抗干扰能力。

保密性好：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128，长达128位的密码给ZIGBEE信号传输的保密性提供了保障。

传输速度快：ZIGBEE传输数据多采用短帧传送，因此，传输速度快，实时性强。

可扩展性强：ZIGBEE组网容易，自恢复能力强，因此，便于在智能家居中进行扩展，增加新设备。

看起来很美的优点

但是，我们必须认识到，ZIGBEE的很多功能落实在智能家居的应用场景中之后，就变成了看起来很美的优点：

成本真的很低么?

目前ZIGBEE芯片出货量比较大的TI公司的CC2430，CC2530以及Freescale的

MC1319X,MC1322X系列，其成本均在2~3美金左右，再考虑到其他外围器件和相关2.4G

射频器件，BOM成本难以低于10美金，针对智能家居这种成本敏感而有需要大量节点的家用设备，其成本颇为尴尬。

通信真的稳定么?

目前国内Zigbee技术主要采用ISM频段中的2.5G频率，其衍射能力弱，穿墙能力弱。家居环境中，即使是一扇门，一扇窗，一堵非承重墙，也会让信号大打折扣。

当然，有些厂家会使用射频功放，对2.5G信号进行放大，但是这样会造成额外的辐射污染，同时也和ZIGBEE低功耗，节能的初衷背道而驰。

组网真的有用么?

Zigbee技术的主要特点是支持自组网能力强，自恢复能力强，因此，对于井下定位，停车场车位定位，室外温湿度采集，污染采集等应用非常具有吸引力。然而，对于智能家居的应用场景中，开关，插座，窗帘的位置一旦固定，一直不变，自组网的优点也就不复存在，但是自组网所耗费的时间和资源缺却依旧高企。

网络容量大

ZIGBEE虽然支持多达65000个节点，但是在家居场合，又需要多少个节点呢?一个别墅，所有的开关插座窗帘控制加起来，也不会超过100个，如果数量更多，也将超出用户能够使用的极限。因此，庞大的网络容量未必对智能家居应用带来价值。

综上所述，ZIGBEE技术在智能家居中，固然有着加密高，安全性好的优点。然而，我们不得不认识到，成本高，传输距离近，自组网和巨大的网络容量成了摆设，也制约着ZIGBEE技术在智能家居产品中的应用和推广。灵活运用ZIGBEE技术的优点，并且克服其缺点，才能够更好的提供高性价比，高可靠性的智能家居产品，引爆智能家居市场!

1.概述 1.1解析ZigBee堆栈架构 ZigBee堆栈是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的，定义了协议的MAC和PHY层。ZigBee设备应该包括IEEE802.15.4(该标准定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信)的PHY和MAC层，以及ZigBee堆栈层：网络层(NWK)、应用层和安全服务提供层。图1-1给出了这些组件的概况。 1.1.1ZigBee堆栈层 每个ZigBee设备都与一个特定模板有关，可能是公共模板或私有模板。这些模板定义了设备的应用环境、设备类型以及用于设备间通信的簇。公共模板可以确保不同供应商的设备在相同应用领域中的互操作性。 设备是由模板定义的，并以应用对象(Application Objects)的形式实现(见图1-1)。每个应用对象通过一个端点连接到ZigBee堆栈的余下部分，它们都是器件中可寻址的组件。 图1-1 zigbe堆栈框架 从应用角度看，通信的本质就是端点到端点的连接(例如，一个带开关组件的设备与带一个或多个灯组件的远端设备进行通信，目的是将这些灯点亮)。 端点之间的通信是通过称之为簇的数据结构实现的。这些簇是应用对象之间共享信息所需的全部属性的容器，在特殊应用中使用的簇在模板中有定义。图1-1-2就是设备及其接口的一个例子：

图1-1-2 每个接口都能接收(用于输入)或发送(用于输出)簇格式的数据。一共有二个特殊的端点，即端点0和端点255。端点0用于整个ZigBee设备的配置和管理。应用程序可以通过端点0与ZigBee 堆栈的其它层通信，从而实现对这些层的初始化和配置。附属在端点0的对象被称为ZigBee设备对象 (ZD0)。端点255用于向所有端点的广播。端点241到254是保留端点。 所有端点都使用应用支持子层(APS)提供的服务。APS通过网络层和安全服务提供层与端点相接，并为数据传送、安全和绑定提供服务，因此能够适配不同但兼容的设备，比如带灯的开关。APS使用网络层(NWK)提供的服务。NWK负责设备到设备的通信，并负责网络中设备初始化所包含的活动、消息路由和网络发现。应用层可以通过ZigBee设备对象(ZD0)对网络层参数进行配置和访问。 1.1.2 80 2.15.4 MAC层 IEEE 802.15.4标准为低速率无线个人域网(LR-WPAN)定义了OSI模型开始的两层。PHY层定义了无线射频应该具备的特征，它支持二种不同的射频信号，分别位于2450MHz波段和868/915MHz 波段。2450MHz波段射频可以提供250kbps的数据速率和16个不同的信道。868 /915MHz波段中，868MHz支持1个数据速率为20kbps的信道，915MHz支持10个数据速率为40kbps的信道。MAC层负责相邻设备间的单跳数据通信。它负责建立与网络的同步，支持关联和去关联以及MAC 层安全：它能提供二个设备之间的可靠链接。 1.1.3 关于服务接入点 ZigBee堆栈的不同层与802.15.4 MAC通过服务接入点(SAP)进行通信。SAP是某一特定层提供的服务与上层之间的接口。 ZigBee堆栈的大多数层有两个接口：数据实体接口和管理实体接口。数据实体接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务。管理实体接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。 1.1.4 ZigBee的安全性 安全机制由安全服务提供层提供。然而值得注意的是，系统的整体安全性是在模板级定义的，这意味着模板应该定义某一特定网络中应该实现何种类型的安全。 每一层(MAC、网络或应用层)都能被保护，为了降低存储要求，它们可以分享安全钥匙。SSP是通过ZD0进行初始化和配置的，要求实现高级加密标准(AES)。ZigBee规范定义了信任中心的用

一、智能家居的背景 从宏观上来讲，事物的每个发展阶段都是当时从业人员认识水平、技术水平、市场认知、原材料成本等几个原因共同作用的结果。每个阶段都会局限于当时的技术水平、市场接受程度等，都会有其无法突破的瓶颈和困难。即便智能家居系统在中国已发展20多年，且经过这么多年的发展，产品、技术已日趋成熟、稳定，但每项技术并不一定都完美无瑕。只要产品或技术处于高速发展中，它必然需要不断地去解决一些技术上或者产品上的问题。智能家居产品未来会还向节能环保，舒适度方面发展。比如冬暖夏凉型建筑，不用空调，由建筑自身的功能去调节温度。而智能家居必须结合这些建筑上的功能去发展，从这个方面来说，必然会推动智能家居的适应性发展。对与现阶段的智能家居来说，没有专用的对讲或智能家居数字处理芯片，无论是技术层面还是集成层面，都只是有所关联。如果能够很好的解决，未来数字对讲将会取得更好的应用。而随着中国城镇化趋势的加剧，大型小区会越来越多，人们对安保的重视程度也会日益加强，将来小区的多个安防子系统在技术上必然会走向综合化、集成化。除此之外，厂家需理性地为各类应用设计解决方案，校正一些过往的虚假概念。只有设计实用性强，性价比高，能适应拓展未来新技术的系统，才能更好地为用户服务。除此之外，各家产品的兼容性也是一个急需解决的问题。目前各厂家的产品均采用自家的协议，无法很好地做到兼容，而不同品牌的可视对讲和智能家居系统如何互连互通也将是今后需突破的难点 二、智能家居系统旨在实现的以下主要功能： (1)可以控制和相应的状态查询，如查询室内和室外的温度，可用于家用电器，如灯一键全开，一键全关，更方便。 (2)在光线方面我们可以依照家庭装修环境背景或者用户的其他层次的要对

433/315/Zigbee介绍 315MHZ和433MHZ是我们国家的免申请的发射接收频率，433兆是数据传输领域的老产品，用来做数据传输存在巨大隐患：433兆系统，它的致命弱点是系统安全保密性差，很容易被攻击，被破译；通信技术落后，通信不可靠，系统不稳定；频道非常拥挤，环境干扰特别大，对讲机，车载通信设备，业余通信设备等，都集中在这里，因而环境干扰非常大；短期使用可能看不出，长期使用必然显现；另外功耗大，发射机和天线体积庞大，有厂商将其引入智能家居系统，但由于其抗干扰能力弱，组网不便，可靠性一般，在智能家居中的应用效果差强人意。 ZigBee是一种短距离、架构简单、低消耗功率与低传输速率之无线通讯技术，其传输距离约为数十公尺，使用频段为免费的 2.4GHz与900MHz频段，传输速率为20K至250Kbps，网络架构具备Master/Slave 属性，并可达到双向通信功用。 ZigBee具有下列之特性 (1)省电：ZigBee传输速率低，使其传输资料量亦少，所以讯号的收发时间短，其次在非工作模式时，ZigBee处于睡眠模式，而在工作与睡眠模式之间的转

换时间，一般睡眠激活时间只有15ms，而设备搜索时间为30ms。透过上述方式，使得ZigBee十分省电，透过电池则可支持ZigBee长达6个月到2年左右的使用时间。 (2)可靠度高：ZigBee之MAC层采用talk-when-ready 之碰撞避免机制，此机制为当有资料传送需求时则立即传送，每个发送的资料封包都由接收方确认收到，并进行确认讯息回复，若没有得到确认讯息的回复就表示发生了碰撞，将再传一次，以此方式大幅提高系统信息传输之可靠度。 (3)高度扩充性：一个ZigBee的网络最多包括有255个ZigBee网络节点，其中一个是Master设备，其余则是Slave设备。若是透过Network Coordinator则整体网络最多可达到6500个ZigBee网络节点，再加上各个Network Coordinator可互相连接，整体ZigBee网络节点数目将十分可观。

基于Zigbee的智能家居控制系统的设计 王超，高峰，姜洋 （东北石油大学电气信息工程学院黑龙江大庆163318） 摘要：本文是基于Zigbee技术，采用CC2430模块构成传输网络，与中心控制板STM32之间进行2.4GHz的无线通信。控制板由STM32驱动触屏显示器，由编制的GUI（用户自定义）界面，使用户简单方便的对家具环境进行控制与监视。可增加WIFI（无线路由）上网功能实现远程控制功能等，具有良好的可扩展性。 关键字：Zigbee；触屏控制板；STM32；WIFI； Design of Smart-home System Based on Zigbee Wangchao,Gaofeng,Jiangyang (Department of Electrical Information Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing, Heilongjiang ,China,163318) Abstract：This paper is based on Zigbee technology, using the 2.4GHz wireless communication between CC2430 module transmission network and center panel STM32. Panel STM32 drive by touch screen display, compiled by the GUI interface and the user is simple and easy to control the furniture with the monitoring environmental. It also can increase the WIFI Internet function to make the remote control function come true, It has good expansibility. Keyword：Zigbee；touch-screen-panel；STM32；WIFI； 1引言 现代科技的发展驱使人们寻求更加简便更加快捷的生活方式，即使你是住在最偏远的城市，你也会感受到这种速度，所以，基于我们所学的知识，我们畅想一种用于控制我们切身生活的新方式，运用Zigbee技术和网络技术，将家中所有的可控部件集中在一个触屏控制板上，我们所用的Zigbee是一种高可靠性的无线数传网络。Zigbee数传模块类似于移动网络基站，支持无限扩展。同时，Zigbee具有低功耗、低成本、抗干扰、易组网的优点[1]。 本文是基于具有Zigbee无线传输技术的CC2430和STM32芯片，通过触摸屏控制板实现对家里的安防报警、室内温度和照明灯具、家用电器的控制。因为系统由自己开发，具有可扩展性和个性化，控制方便，更加贴近用户需求等特点。 2系统实现 2.1 系统总体结构 系统整体框图结构如图1所示，具有显示控制功能的中央的控制板我们采用具有高性能、低功耗的特点，而且不用外加射频功放，通信距离就可达到百米左右的STM32W108芯片（内置128KB FLASH和8KB SRAM它同时支持人机交互，可与CC2430进行通信[2]。 用于作为下级传输的Zigbee模块，我们采用TI 公司的CC24430 无线射频芯片，它有显著的低成本、低消耗、网络节点多等的无线传输功能。可以将一个节点作为路由，由一个主节点管理若干子节点,同时可由上一层网络节点管理,最多可组成65000 个节点的大网，实现组网，也有效的延长了Zigbee的传输距离。同时其具有高容量优点，可采用星状、片状和网状网络结构,通过对与STM32通信和传感数据采集传输的开发，形成对家中照明、安防、电器等日常工具的进程和远程控制，实现家居的智能化。 我们采用SDIO WIFI模块芯片实现数据的远程传输，具有的USB 2.0接口，与STM32 的连接非常简单，二者可以通过标准的USB 接口直接相连。该模块用来实现家庭网关与Internet 连接。通过WIFI可以在家中随时上网，同时也可以通过家庭网关实现远程控制。 图1 智能家居控制系统结构图 Control Board W I F I 安防传感器 控 制 显 示 测量传感器 空 调 报 警 照 明 作者简介：王超，黑龙江大庆，东北石油大学电气气信息工程学院，学生

基于ZigBee的智能家居系统 摘要： 基于ZigBee的智能家居系统是针对家居高度自动化、智能化的要求提出的一种新的解决方案。主要用ZigBee手持控制器无线采集室内环境参数，远程控制各种家居电器，实现家居控制、参数检测的完全自动化、智能化。设备以C8051F020单片机为控制核心单元，检测湿度，负责驱动电机，处理和传输数据。采用高精度传感器作为湿度检测器件，直流电机等为执行机构，完成环境参数检测，对窗帘、交流电电器等的控制功能。用手持设备通过IP-LINK1270模块串口实现了室内无线通信，可以接收湿度数据，控制简单家居。本系统具有良好的开发和应用前景。 关键词：ZigBee 无线通信湿度检测智能家居 由于生活质量的日益改善，各种家电设备的高度自动化和智能化已经成为一种消费需求，同时科学技术的飞速发展，让这种需求的达到已经不再遥远。新的ZigBee协议在无线传感器网络和各种无线终端控制方面有良好的前景，为传感器网络和控制设备提出了新的方案。基于ZigBee的网络控制系统就可以实现对各种家电设备的控制和调节，只需要对旧式家电（家居）进行改装，或加入必要的驱动电路，便可以实现小信号对交流电器的控制。室内温度、湿度等环境参数直接影响生活质量，同样可以通过ZigBee控制器对室内温度、湿度检测设备进行较远距离的适时采集，然后根据个人意愿对家电（家居）进行不同程度的调节。 我们对实用小功率电扇进行了改装，对窗帘装上直流电机和定滑轮，可以由ZigBee控制器向单片机发送命令对电扇和窗帘的开关程度控制和调节。室内参数检测方面，开发了湿度检测设备，可以有效的反馈实时数据。 一、系统（主设备）结构及各部分功能 在整个系统设计方案中，以C8051F020为核心，作为数据处理器和设备控制器，整个设备也可作为工业现场设备，从属于ZigBee核心控制器。 系统（主设备）结构如图所示， 图1 系统（主设备）总体结构图

毕业设计（论文）题目：基于ZigBee的智能家居系统设计与实现 学院：软件学院 专业名称：软件工程 班级学号：08201124 学生姓名：曾刘保 指导教师：苗利 二O一二年三月

毕业设计（论文）任务书 I、毕业设计(论文)题目： 基于ZigBee的智能家居系统设计与实现 II、毕业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求： 1、摘要扼要叙述本论文的主要内容、特点，文字精炼，摘要500字左右。 2、正文：一般包括引言、本、结论三个部分。字数不少于13000字。 3、收集资料：a历史资料；b理论资料；c实践资料 4、技术要求：在论文写作中进行一定程度的创新性活动，如提出一个新问题、对现 实问题进行新的解释等。 III、毕业设计(论文)工作内容及完成时间： 1、查阅并收集与论文相关的国内外文献资料，完成开题报告。（第1-2周） 2、毕业论文资料调研，进行实地调查研究，掌握第一手资料。（第3周） 3、撰写毕业论文详细提纲。论文提纲应分为几个部分或几个层次。写明论文的中心、重点、主要观点、结论等。（第4周） 4、完成论文绪论部分，说明本课题的意义、目的、研究范围及要求达到的技术要求；简述本课题在国内外的发展概况及存在的问题。（第5周） 5、完成毕业论文正文部分，包括问题的提出，研究工作的基本前提、假设和条件，理论论证，理论在课题中的应用，课题得出的结果等。（第6-7周） 6、完成结论部分。即对整个研究工作进行归纳和综合得出的总结，对所得结果比较和课题尚存在的问题，以及进一步开展研究的见解与建议。结论应该明确、精炼、 完整、准确。（第8周） 7、完成毕业论文（设计）初稿。（第9周） 8、完成毕业论文二稿。（第10周） 9、毕业论文定稿；毕业论文打印；毕业答辩准备。（第11周）

星形网络和树型网络可以看成是网状网络的一个特殊子集，所以接下来分析如何组建一个Zigbee网状网络。组建一个完整的Zigbee网络分为两步：第一步是协调器初始化一个网络；第二步是路由器或终端加入网络。加入网络又有两种方法，一种是子设备通过使用MAC层的连接进程加入网络，另一种是子设备通过与一个先前指定的父设备直接加入网络。 一、协调器初始化网络 协调器建立一个新网络的流程如图1所示。 图1 协调器建立一个新网络 1、检测协调器 建立一个新的网络是通过原语发起的，但发起原语的节点必须具备两个条件，一是这个节点具有ZigBee协调器功能，二是这个节点没有加入到其它网络中。任何不满足这两个条件的节点发起建立一个新网络的进程都会被网络层管理实体终止，网络层管理实体将通过参数值为INVALID_REQUEST的的原语来通知上层这是一个非法请求。 2、信道扫描

协调器发起建立一个新网络的进程后，网络层管理实体将请求MAC子层对信道进行扫描。信道扫描包括能量扫描和主动扫描两个过程。首先对用户指定的信道或物理层所有默认的信道进行一个能量扫描，以排除干扰。网络层管理实体将根据信道能量测量值对信道进行一个递增排序，并且抛弃能量值超过了可允许能量值的信道，保留可允许能量值内的信道等待进一步处理。接着在可允许能量值内的信道执行主动扫描，网络层管理实体通过审查返回的PAN描述符列表，确定一个用于建立新网络的信道，该信道中现有的网络数目是最少的，网络层管理实体将优先选择没有网络的信道。如果没有扫描到一个合适的信道，进程将被终止，网络层管理实体通过参数仠为STARTUP_FAILURE的的原语来通知上层初始化启动网络失败。 3、配置网络参数 如果扫描到一个合适的信道，网络层管理实体将为新网络选择一个PAN描述符，该PAN描述符可以是由设备随机选择的，也可以是在里指定的，但必须满足PAN描述符小于或等于0x3fff，不等于0xffff，并且在所选信道内是唯一的PAN描述符，没有任何其它PAN描述符与之是重复的。如果没有符合条件的PAN描述符可选择，进程将被终止，网络层管理实体通过参数值为STARTUP_FAILURE的的原语来通知上层初始化启动网络失败。确定好PAN描述符后，网络层管理实体为协调器选择16位网络地址0x0000，MAC子层的macPANID参数将被设置为PAN描述符的值，macShortAddress PIB参数设置为协调器的网络地址。 4、运行新网络 网络参数配置好后，网络层管理实体通过原语通知MAC层启动并运行新网络，启动状态通过原语通知网络层，网络层管理实体再通过原语通知上层协调器初始化的状态。 5、允许设备加入网络 只有ZigBee协调器或路由器才能通过原语来设置节点处于允许设备加入网络的状态。当发起这个进程时，如果PermitDuration参数值为0x00，网络层管理实体将通过原语把MAC层的 macAssociationPermit PIB属性设置为FALSE，禁止节点处于允许设备加入网络的状态；如果 PermitDuration参数值介于0x01和0xfe之间，网络层管理实体将通过原语把macAssociationPermit PIB属性设置为TRUE，并开启一个定时器，定时时间为PermitDuration，在这段时间内节点处于允许设备加入网络的状态，定时时间结束，网络层管理实体把MAC层的macAssociationPermit PIB属性设置为FALSE；如果PermitDuration参数的值为0xff，网络层管理实体将通过原语把

基于Zigbee技术的智能家居系统设计方 家居设备通过Zigbee 进行无线组网，把家居设备的信息和数字视频传输到因特网网络上， 进行实时的显示并进行后续的利用和控制；同时将收集各处传输进来的数字视频信息进行后续的处理和识别。如入侵检测，人脸检测和识别等。 智能家居又称为智能住宅，在国外常用Smart Home 表示。与智能家居含义近似的有家庭自动化（Home Automation）、电子家庭（Electr ON ic Home、E-home）、数字家园（Digital Family）、家庭网络（Home Net/Networks for Home）、网络家居（NetworkHome）、智能家庭/建筑（Intel ligent Home/Building）等。 智能家居系统利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全。智能家居可以提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流通畅，优化人们的生活方式，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。 1 项目概述 1.1 智能家居发展概况 智能家居是利用先进的计算机技术、嵌入式系统和网络通讯技术，将家庭中的各种设备（如照明系统、环境控制、安防系统、网络家电）通过家庭网络连接到一起的，自从美国在1984 真正的智能建筑出现以来，国外已经有将近30 年的研究历史，而国内在这方面的研究相对较晚，从2003 年才逐步应用于高端市场，而且标准不统一，如海信、海尔、清华大学等大家各自为营。由于智能家居系统具有安全、方便、高效、快捷、智能化和个性化的独特魅力，使得智能家居的开发与建设成为21 世纪科技发展的必然趋势。随着全球对能源和环境的要求越来越高，而智能家居在节能方面的效果优势非常明显，因此具有非常广阔的市场前景。 1.2 开发板主要参数 本项目所使用开发板为Real6410 开发板，采用三星公司的ARM11 内核的处理器 S3C6410.开发板上还集成了123 M的DDR 内存以及1 GB NandFlash, 同时预留了

Zigbee技术简介 Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术， 它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。它此前被称作“HomeRF Lite”或“FireFly”无线技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。最后，这些数据就可以进入计算机用于分析或者被另外一种无线技术如WiMax收集。 Zigbee的基础是IEEE802.15.4这是IEEE无线个人区域网(Personal Area Network，PAN)工作组的一项标准，被称作 IEEE802.15.4(Zigbee)技术标准。 Zigbee不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟对其网络层协议和API进行了标准化(如下图2所示)。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点 的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器 可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。Zigbee联盟还开发了安全层，以保证这种便 携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。

Zigbee技术的主要特点包括以下几个部分: *数据传输速率低:一般在10kbps～250kbps，传输速率低，专注于低传输应用; *功耗低: 工作状态下平局功耗在几十毫瓦，休眠状态1μw。在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是Zigbee的支持者所一直引以为豪的独特优势; *成本低:因为Zigbee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且Zigbee协议免收专利费。 *时延短:通常时延都在15毫秒至30毫秒之间; *安全:Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时可以灵活确定其安全属性; *网络容量大:每个Zigbee网络最多可支持255个设备（最大节点数达6万以上），也就是说，每个Zigbee设备可以与另外254台设备相连接; *优良的网络拓扑能力:ZigBee具有星、树和丛网络结构的能力。ZigBee设备实际上具有无线网路自愈能力,能简单地覆盖广阔围; *有效范围小:有效覆盖范围10～75米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境; * 工作频段灵活:使用的频段分别为2.4GHz(全球)、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。

基于Zigbee技术的智能家居系统设计方案

基于Zigbee技术的智能家居系统设计 方案 摘要：对基于ZigBee 技术对嵌入式Web 的智能家居远程监控系统进行研究和设计。对家居设备通过Zigbee 进行无线组网，把家居设备的信息和数字视频传输到因特网网络上，在因特网上设立一个"无线视频网关"WEB 服务器，可供外部访问；实现将家居信息如温度进行实时的显示并进行后续的利用和控制；同时将收集各处传输进来的数字视频信息进行后续的处理和识别。如入侵检测，人脸检测和识别等。 智能家居又称为智能住宅，在国外常用Smart Home 表示。与智能家居含义近似的有家庭自动化（Home Automation）、电子家庭（Electr ON ic Home、E-home）、数字家园（Digital Family）、家庭网络（Home Net/Networks for Home）、网络家居（NetworkHome）、智能家庭/建筑 （Intel ligent Home/Building）等。 智能家居系统利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术将与家居生活有关的各

种子系统有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全。智能家居可以提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流通畅，优化人们的生活方式，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。 1 项目概述 1.1 智能家居发展概况 智能家居是利用先进的计算机技术、嵌入式系统和网络通讯技术，将家庭中的各种设备（如照明系统、环境控制、安防系统、网络家电）通过家庭网络连接到一起的，自从美国在1984 真正的智能建筑出现以来，国外已经有将近30 年的研究历史，而国内在这方面的研究相对较晚，从2003 年才逐步应用于高端市场，而且标准不统一，如海信、海尔、清华大学等大家各自为营。由于智能家居系统具有安全、方便、高效、快捷、智能化和个性化的独特魅力，使得智能家居的开发与建设成为21 世纪科技发展的必然趋势。随着全球对能源和环境的要求越来越高，而智能家居在节能方面的效果优势非常明显，因此具有非常广阔的市场前景。 1.2 开发板主要参数

2019年5月 来实现显隐性病毒的有效清除,降低恶性事件发生的可能性。3结束语 总而言之,随着互联网信息技术的快速发展,各种各样的网络安全因素对人们工作生活所造成的影响越来越大,网络信息安全也受到了越来越多人的重视。并且网络信息拥有应用性与综合性相对较强的特征,其不单单属于一项技术问题,还属于一项管理问题,和方方面面的知识都有着十分密切的联系。所以,在进行计算机网络信息安全问题预防管理的时候,应该将各项可能对其造成影响的因素都考虑进去,并以此为基础对网络完全体系进行健全完善,这样才可以将其作用更大程度地发挥出来,给人们的工作生活提供更大的便利,进而为中华民族伟大复兴中国梦的实现提供更有力的支持和保障。 参考文献 [1]强龙龙.计算机网络安全技术的影响因素分析与防范措施探讨[J].信息与电脑(理论版),2019(03):206-207. [2]马保银,王佳星,罗振邦,刘美宏,刘征,麦麦提阿吉·买买提沙吾提,钱基恒,刘赢赢.计算机网络信息安全中的虚拟专用网络技术运用分析[J].中国新通信,2019(03):74. [3]尚永强.基于计算机网络技术的计算机网络信息安全及其防护策略[J].电子技术与软件工程,2018(24):180-181. [4]张艾玲,姜婧娆.项目教学法在《计算机网络管理与安全》课程的应 用探究[J].大连教育学院学报,2018,34(04):61-62. [5]郭军武.涉密计算机信息安全管理体系在测绘行业的设计与实现[J]. 资源信息与工程,2018,33(06):187-188. [6]公安部检测中心成为“计算机信息系统安全专用产品销售许可”检测机构[J].中国安全防范认证,2017(06):3. 收稿日期：2019-4-15 作者简介：李长隆,男,湖北潜江人,工程师,硕士研究生,研究方向为信息安全。 基于ZigBee的智能家居系统研究与实现邵羿晗（江苏省南通市如东高级中学，江苏省南通市226400） 【摘要】随着社会经济的持续发展和居民生活水平的不断提高，家庭室内智能设备被越来越多地应用于人们的日常生活中，基于物联网和人工智能的综合性智能家居系统应运而生。智能家居系统主要由各种家居单元、控制系统和通信网络组成。作为近场通信中的关键技术分类， ZigBee通信技术可以有效提高智能家居系统的信息交换效率，同时有着功耗低、可靠性高的优势。本文从智能家居的概况和发展讲起，就Zig-Bee技术及其在智能家居系统中的作用进行了分析。 【关键词】智能家居；ZigBee；网络协议；系统架构 【中图分类号】TP273.5【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2019）05-0015-02 1智能家居概况及其发展 1.1智能家居概况 进入21世纪以来,信息化社会的发展不断提速,我们的 生活已经被各种信息化科技产品所包围,人工智能技术和互 联网技术极大改变了人类的生活方式。在新时代的家居生活 中,家居不再只是满足人们休息居住的需求,更多地则是承担 着家庭娱乐、信息交互、提高生活质量的功能,人们试图将家 庭中的各种家具连接在一起,智能地实时控制整个家居系统。 在这样的市场需求下,智能家居应运而生,其以智能控制、网 络通信和传感器技术为平台,在家庭中通过若干传感器收集 家庭的环境信息,例如温度、湿度、亮度、声音等,并采集用户的指示,智能调节家庭中各种家居设备,例如空调、窗帘、灯具等。智能家居完全颠覆了现有的家居生活方式,家居生活不仅变得更加舒适,同时被赋予了更多功能,家庭主人足不出户便可所示访问各种信息,享受各种服务,智能家居将家庭变成了一个个对外的接口,互联网中的所有信息变得触手可及,如图1所示[1]。 智能家居的特点主要有以下几点: (1)家居自动化管理; (2)家居物联网化、信息化; (3)家居信息数字化。 1.2智能家居的发展 智能家居起源于20世纪的美国,著名的企业家,微软公司的创始人—— —比尔·盖茨最早提出了智能家居的概念,当时很多科技企业都纷纷加入智能家居的研发中。1980年,芯片企业霍尼韦尔公司研发了一种全家庭自主智能控制系统,通过此系统主人可以实时控制家庭中的所有用电器,并且可以对各种电器的属性和工作模式统一进行配置,该系统也被认为是史上首款具有真正智能家居意义的智能系统。几乎同一年代,美国麻省理工学院研制出一款名为MAVHOME的智能家居系统,该系统对于家庭中电器的常见设置都有备选,可供用户选择各种情景模式,同时功耗很低,但是连接性和扩展性稍显不足,只可连接最多8个设备。经过几十年的发展和变革,智能家居在全球范围内增长迅速,据统计,截止2108年,美国的智能家居市场规模已接近300亿,同时有超过十万户家庭享受着智能家居带来的便利[2]。 智能家居的发展可以概括为以下的四个重要时期:①20世纪80年代:概念产生期;②21世纪初:产品定型期;③2007-2010年:技术突破期;④2011年至今:融合发展期。智 能 图1智能家居示意图 通信设计与应用15

精简功能设备(RFD)：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。附带有限的功能来控制成本和复杂性，在网络中通常用作终端设备。 ZigBee网络定义了三种节点类型： 协调器和路由器必须是全功能器件(FFD: Full function device)， 终端设备可以是全功能器件，也可以是简约器件（RFD: reduce function device）。 协调点是一个特殊的FFD，它具有较强的功能，是整个网络的主要控制者，它根据网络的最大深度(nwkMaxDepth)，每个路由器能最多连接子设备的数目(nwkMaxChildren)，每个路由器能最多连接子路由器的数目(nwkMaxRouters)等参数建立新的网络、収送网络信标、管理网络中的节点以及存储网络信息等。 RFD的应用相对简单，例如在传感器网络中，它们只负责将采集的数据信息収送给它的协调点，不具备数据转収、路由収现和路由维护等功能。RFD占用资源少，需要的存储容量也小，在不収射和接收数据时处于休眠状态，因此成本比较低，功耗低。 FFD除具有RFD功能外，还需要具有路由功能，可以实现路由収现、路由选择，并转収数据分组。 一个FFD可以和另一个FFD或RFD通信，而RFD只能和FFD通信，RFD之间是无法通信的。一旦网络启动，新的路由器和终端设备可以通过路由収现、设备収现等功能加入网络。当路由器或终端设备加入ZigBee 网络时，设备间的父子关

系（或说从属关系）即形成，新加入的设备为子，允许加入的设备为父。一个简单的ZigBee网络父子关系如图3-a中的A、B。 ZigBee中每个协调点最多可连接255个节点，一个ZigBee网络最多可容纳65535个节点。 3.2 网络拓扑 ZigBee网络的拓扑结构主要有三种，星型网、网状（mesh）网和混合网，见图3。星型网（图3-c）是由一个协调点和一个或多个终端节点组成的。协调点必须是FFD，它负责収起建立和管理整个网络，其它的节点（终端节点）一般为RFD，分布在协调点的覆盖范围内，直接与协调点迚行通信。星型网的控制和同步都比较简单，通常用于节点数量较少的场合。 网状网（Mesh网）（图3-a）一般是由若干个FFD连接在一起形成，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信。Mesh 网中，一般将収起建立网络的FFD节点作为协调点。Mesh网是一种高可靠性网络，具有“自恢复”能力。它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择。 3.3 网络路由 ZigBee网络层的路由功能主要为网络连接提供路由収现、路由选择、路由维护功能，路由算法是它的核心。目前ZigBee网络层主要支持两种路由算法—树路由和网状网路由。树路由采用一种特殊的算法，具体可以参考ZigBee的协议栈规范。它把整个网络看作是以协调器为根的一棵树，整个网络由协调器建立，而协调器的子节点可以是路由器或者是末端节点，路由器的子节点也可以是路由器或者末端节点，末端节点相当于树的叶子没有子节点。树路由利用了一种特殊的地

基于Zigbee的智能家居控制系统 摘要:本文介绍了基于Zigbee的智能家居控制系统的组成、开发方案、具体的硬件和软件设计方法以及测试结果。测试表明，本系统能够成功地利用Zigbee技术对家居设备进行无线组网，配合以NiosII软核为核心的系统终端，完成家居信息的实时显示、家居设备的自动控制和自动根据险情进行短信报警等功能，系统工作快速、灵活、稳定，市场前景广阔。 关键词：Zigbee；智能家居；NiosII；远程报警 1 引言 智能家居控制系统是现代电子技术、自动化技术及通信技术相结合的产物。它能够自动控制和管理家电设备，对家庭环境的安全进行监控报警，并且能够为住户提供安全舒适、高效便利的学习生活及工作环境。随着科技的提高和经济的发展，人们对家居环境的要求越来越高，作为家居智能化的核心部分—智能家居控制系统也越发显得重要。本系统采用Zigbee技术、FPGA技术、自动控制技术和传感器自动检测技术，利用以CC2530为核心的Zigbee模块完成系统组网、传感器数据的采集和传输功能。系统终端以NiosII 软核为核心，完成显示、综合控制和报警等功能。 2系统概述 基于Zigbee的智能家居控制系统以充分利用系统资源完成对家居环境的监测和家居设备的综合控制，为用户提供更方便舒适的家居生活体验为实现目标。用户通过终端查看家居信息、操作系统运行和设定温湿度等环境参数；各家用电器和窗帘等处的电机等家居设备根据传感器采集的相应数据和用户设定等因素，在终端的控制下工作；组网功能由隐藏在家中各处与终端和各传感器、家居设备相连的Zigbee模块完成。 2.1 系统组成 本系统由一个多个节点、一个终端和一台上位机组成。节点由Zigbee模块接入系统终端和传感器、家用电器、电机构成，节点之间的网络拓扑结构为星型网络]1[，其中位于星型网络中心的终端收发节点与作为终端的DE2开发板相连。终端通过上位机软件连接家中的台式电脑，同时终端还与GSM 模块连接以便完成发送短信的功能。系统组成框图如图2.1所示： 图2.1 系统组成框图 2.2 系统功能 为了给用户提供一个安全、舒适、方便的居住环境，使系统对家居设备的控制更便捷高效，同时为用户家庭节约能耗，本系统可以实现以下功能。 （1）检测室内温度并显示在终端显示屏上，同时自动控制空调完成温度调节； （2）结合温湿度和用户是否在家及用户起床的情况自动开启空调、电视机和微波炉； （3）检测家中非法入侵、着火、漏水等情况，同时根据险情对用户进行本地报警和短信报警； （4）早上用户起床后，微波炉、热水器等自动开启，窗帘自动打开； （5）用户可通过上位机控制系统，设定温湿度等参数。 3系统开发方案 本系统利用Zigbee和FPGA技术，以IAR、Nios II和Visual Basic软件作为开发环境，使用DE2开发板和以CC2530为核心的Zigbee模块作为开发工具进行开发。对系统的开发主要分成节点、终端和上位机三个部分进行。 节点间利用Zigbee协议进行无线通信，网络拓扑结构采用星型结构。以CC2530为核心的Zigbee模块不但是无线收发器，还能够作为微控制器完成对传感器、继电器等外围设备的控制。而星型网络结构便于用户在系统中增加和减少节点，且系统可以随时为增加的节点建立无线通信链路。在对Zigbee模块进行开发时，本系统在官方协议栈基础上，对应用层进行开发，使其完成系统组网、传感器数据的采集和传输功能。 终端利用FPGA技术，以NiosII为核心，在DE2开发板完成开发。终端的功能是显示、对家居设备的综合控制和报警等，其中报警功能由终端控制GSM

基于ZigBee 的智能家居系统设计 朱同 武汉理工大学智能信息研究所，武汉 (430070) E-mail ：woozie.cj@https://www.doczj.com/doc/ea17713951.html, 摘 要：本文主要介绍了基于ZigBee 通信协议的智能家居系统。阐述了该系统的组成和特点。给出了智能家居系统中RF 无线节点模块的软硬件设计方法。并通过该系统分析了ZigBee 在短距离无线通信领域的发展趋势。 该系统符合IEEE802.15.4 协议，便于系统与其它符合该标准的产品联网, 具有良好的通用性和可扩展性。 关键词：ZigBee ，智能家居，无线射频通信 1. 引言 如今，利用无线网络构建智能家居网已经成为势不可挡的发展趋势。相对于有线网，无线网络不仅接入灵活、操作方便而且符合家庭网络的通讯特点，其应用必将大大促进家庭网络智能化的进程。目前实现组建智能家居网络的技术括蓝牙、WiFi 、以及极具发展潜力的ZigBee 。ZigBee 技术是近几年发展起来的一种短距离无线通信技术，合应用在控制和监控场合的无线通信方式。它使用2.4GHz 波段，采用跳频和扩频技术。鉴于ZigBee 技术的低成本、低功耗，低速率的特点，其必将是最符合智能家居控制的无线通信方式之一[1]。 2. 智能家居系统结构 智能家居系统以家庭为单位进行设计, 每个单位都拥有一个独立的协调器、多个无线通讯ZigBee 节点模块。在协调器和每个子节点上都接有一个ZigBee 无线通信收发模块, 数据通过这些模块在协调器和子节点之间进行传送。系统组成如图1。 ZigBee 家电设备 RF 模块 协调器

3.RF无线通信收发模块设计 3.1 RF无线通信收发模块硬件设计 RF节点的硬件电路主要由控制模块和无线通信收发模块组成。控制模块通过与RF芯片之间的数据交换。完成节点收发数据处理。并根据通讯数据完成对外围器件的控制。RF模块符合IEEE802.15.4协议，完成节点与协调器之间无线通讯。 3.1.1 RF协议芯片的选择 CC2500是Chipcon推出的一款符合IEEE802.15.4标准的片上ZigBee产品，RF的频率范围从2400 MHz到2483.5 MHz。该芯片具有体积小（4x4 mm package, 20pins）价格低，功耗低，灵敏度高的基本特点。此外CC2500配置自由度非常高，可以对频率使用范围，数据率，发送接收功率，接收滤波器的带宽，以及信号收发模式进行自由配置。CC2500收发数据包的格式也可以用户根据自己需要进行配置。如图2所示，CC2500共有6个引脚与MCU的I/O口连接，其中SI、SO引脚完成RF数据的传送，对CC2500芯片的用户功能配置是通过GDO0和GDO1引脚来完成的，此外GDO0和GDO1引脚还可以作为功能检测引脚，通过这两个引脚上的输出数据，用户可以查看RF芯片的工作模式、信号的强度、FIFO数据状态等等，为开发和使用者提供了一个直观的系统监控平台。 3.1.2处理器的选择 处理器是传感器节点的核心，在选择时，必须满足体积小、集成度高、功耗低且支持睡眠模式、速度足够快、成本尽量低等几个要求。TI公司的MSP430F135，系列的单片机同样以低功耗著称，这样的选择使整个硬件系统功耗极低，非常适合各种小型无线应用。该款单片机只有一个标准UART接口，作为与上位机通信的接口。CC2500与MCU之间使用I/O 口模拟SPI总线时序来实现数据通信。 另外系统中采用了CP2102作为系统的USB接口，以便于二次开发， CP2102内部的电压转换器为MCU和CC2500提供了3V的工作电压。在开发中只用使用一根USB线就可以达到供电和节点与上位机通信的目的。

智能家居论文：基于ZigBee技术的智能家居系统 【中文摘要】智能家居就是利用网络连接设备将家庭生活中的各种电子设备、电器等关联起来,以便实现对家用设备和生活环境的智能化管理、远程监控以及资源共享。目前,市场上流行的智能家居产品功能不尽完善,因此在一定程度上远不能满足人们对智能化生活的需要。鉴于此,我们以ATmega8、ATmega128L+CC2420开发套件为核心硬件,基于ZigBee技术设计了智能家居系统。该系统模拟实现了如下功能:控制有线连接的模拟家电;通过ZigBee模块实现远程控制模拟家电;利用传感器收集家居环境并反馈;设计了多个可扩展模块,用来加入后续的家电。本文设计的智能家居系统由三大功能模块组成,即用户控制模块、模拟家电模块、ZigBee控制模块,用户可以通过用户控制模块中的按钮实现对模拟家电工作状态的查询和控制。模拟家电模块用于模拟家电状态,并在界面上显示。ZigBee模块实现了无线通信和远程控制,并提供了监视系统环境的功能,该模块将家居环境信 息以帧的形式发送给主控制器。实验结果表明,我们设计的智能家居系统界面简洁易于操作,可以满足用户对特定家电的控制要求,同时 通过观察界面上的环境系数,实时监控整个家居环境。测试结果表明本系统达到了预期的设计目标。 【英文摘要】Smart Home is the using of network-connected devices to connect various electronic equipments in the family life, in order to achieve intelligent management, remote