zigbee智能家居控制系统介绍

发布者：智家网
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2023-03-27 15:39:09

龙侨华智能家居

深圳市龙侨华实业有限公司

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　　智能家居的市场是非常大的，万物互联是现代智慧生活的必然，所以智能家居的定位非常重要，主要一点就是要足够的稳定，不稳定再智能也是摆设。再一点就一个网关可连接的设备要多，因为信息化的今天随便一个家庭的家电设备数量都在100个左右，所以系统要有足够的延伸性才行，我们不可能在自己的手机上装多个APP才能控制家里的一切，所有的智能单品都将融入智能家居系统从一个APP进入就可以控制所有。还有一点就是要互联互通，就是让每个终端节点象有生命一样能够传递信息，打通人和物、物与人之间的信息互通互换。接下来讲一下zigbee智能家居控制系统原理。

zigbee智能家居控制系统

　　ZigBee是一种新的无线连接技术，该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用。相对于现有的各种无线通信技术，Zigbee技术是功耗和成本最低的技术之一。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行）3个频段上，分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。从网络容量来说，其可以扩展到65000的数量，绝对满足只智能家居产品的接入要求，速率有250K，对于无需大数据传输的家居设备来说绰绰有余。目前新型的智能家居产品多数采用Zigbee进行控制和组网连接。

　　Zigbee应用在智能家居行业自于无线传感器网与智能家具的基本属性所决定的。因为智能家居的基本属性包括：第一个全天候、第二个全区域、第三个全功能。Zigbee还有更强的整合能力，解决传统需求，最终达到优化生活方式的目的。智能家居的全天候工作都是要求我们整个系统，不受白天黑夜的限制，从唤醒用户到送出门上班，从迎接客户回家到陪伴用户入睡，智能家居一直在工作着，甚至当客户入睡也要随时听候吩咐。如果用户夜间起床，智能夜灯自动启动。Zigbee技术用在智能家居最大的优点就是全区域，Zigbee的节点数越多越多稳定，用户在家中任何区域都可以与智能家居进行交互并享受相应的功能，甚至不在家中的时候也可以进行远程查看和控制，其广泛的交互区域和互动能力也是一般传统家居功能不能比拟的。

　　智能家居系统可通过GSM/GPRS/CDMA/网络、ZigBee个域网、互联网以及小区信息网实现信息的互联互通。用户在户外可通过手机调控家中的电器和照明装置，也可及时得到家中的防盗、防火、防煤气泄漏等报警信息；在家中可通过遥控器调控家电设备。控制器还兼有可视对讲系统室内主机功能，能查阅社区发布的各类信息，必要时可向社区保安发出报警求救信号。

　　智能家居控制器内部装有手机模块，通过GSM（GPRS、CDMA）移动通信网络，与用户手机实现双向短消息收发。用户可通过手机短消息实现对家用电器的电源开关控制以及调光、调速控制；控制器以手机短消息的形式向用户手机发送报警信号，供防盗、防火、防煤气泄漏以及家庭突发事件报警用。

　　控制器内部装有1个ZigBee模块，通过Zig2Bee无线网络与家居中的监控装置进行通信，作为ZigBee网络协调器（FFD）来使用。它负责组建智能家居ZigBee网络，接收系统控制中心发送的指令，并做出相应地处理。同时还要将从路由节点（FFD）或终端节点（RFD）接收到的数据发送给系统控制中心。

　　室内监控设备按用途可分为3类：第一类为开关与插座，最简单的插座通过小电子开关的通断实现对家用电器（如电饭煲、饮水机、电视、冰箱、空调、洗衣机、电动窗帘以及不需要调光的灯具）的电源开关控制；较复杂的智能开关和插座具有输出功率可调的功能，用于吊灯、落地台灯的调光或电风扇的调速等。

　　第二类为传感器产品，其中热释电红外传感器和门磁传感器用于防盗，烟雾传感器用于防火，瓦斯传感器用于防煤气泄漏，还有手动报警按钮用于突发事件（如孤寡老人突然发病）的报警。这些节点都带有ZigBee模块，作为网络的终端节点（RFD）。第三类为手持遥控器，除实现对家用电器开关控制、调光调速控制外，还具备照明场景设定与控制功能。

　　若小区配置有物管通信网络和门禁对讲系统，控制器兼备可视门禁对讲系统的室内主机的功能。系统主要由一个智能家居控制器和若干个室内监控ZigBee功能模块组成。智能家居控制器经2个无线通信网络、互联网以及2条有线通信线路与外部设施实现信息的互联互通，因而智能家居控制器又可视为数字家庭网关。

　　ZigBee的簇状网络综合了星型和网状结构的特点，我们在实际应用中利用智能家居控制器及ZigBee传感器节点组成簇状网络。它具有良好的可扩展性，对于大户型或别墅用户而言，可以通过增加路由节点来扩大网络覆盖范围；对于小户型的用户而言，可以通过减少路由节点变成星型网络，以节省能量、加快数据传输速度。

　　智能家居控制系统的总体目标是通过计算机、网络、自动控制和集成技术建立一个由家庭到小区乃至整个城市的综合信息服务和管理系统，而ZigBee是家庭控制的重要角色，简单说，ZigBee是一种类似于WiFi和蓝牙的通信协议，能够让设备与设备之间实现无线通信。而不同的是，虽然都是无线通信技术，ZigBee在智能家居领域却有着独特优势，如功耗低（发射功率仅为1mW）、连接设备多（理论上可达六万多个）、安全性高（AES-128加密算法）等等。

ZigBee智能家居无线网络技术

　　Zigbee技术的特点在低功耗、低成本、短时延、高容量、高安全、自组织、低速率、可达百米以上距离，还有就是使用免执照频段。Zigbee技术目前是局域网技术里面最安全的一种技术。Zigbee的网络容量也非常大。它一级网络最多可以容纳254个从设备和1个主设备。

　　硬件选择

　　本系统采用TI公司的CC2530芯片，该芯片是用于2.4 GHz、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统解决方案，能够以非常低的成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器，增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8 KB RAM和许多其他功能。外围包括通用I/O口、A/D转换接口、SPI口以及串口等资源丰富的接口，还配置了一个高性能射频收发器。ZigBee无线网络主要由协调器、路由器、智能终端以及遥控器等构成。

　　ZigBee组网设计

　　采用树簇型网的方式进行组网[9]。因为这种组网可以让设备节约功耗，当网络处于空闲的时候，处理器便进入休眠模式，这样电池的寿命将会得到延长[9]。协调器是整个网络的中心，主控制器就属于此类节点。路由器主要用于数据的接收、转发。终端指的是家庭中照明灯、门窗以及各种智能家电设备。ZigBee无线网络用于发送设备信息和传递控制信息到各个设备，所有信息的发送都是通过与触摸屏控制模块相连的ZigBee节点来完成。

　　PLC技术

　　PLC技术的最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线就能进行数据传递，所以用于智能家居通信非常便利。将照明灯、电话、电视、空调等一系列家用电器利用电力线连接起来通过PLC实现智能设备之间的通信与控制，结合ZigBee无线网络中的传感器、探测器、智能手机终端及一些不便于连入电力线的设备，实现了家居的智能化。

　　电力线载波通信模块设计

　　选用MAX2991电力载波芯片，它是一款性能优异的集成芯片，可以有效降低整体系统成本。MAX2991是专为利用电力线传输的OFPM调制信号而设计的电力线通信模拟前端（AFE）。MAX2991收发器提供两个主要通道：发送（TX）通路和接收（RX）通路。发送通路将OFDM调制信号注入交流或直流线路，接收通道用于信号增强、滤波和接收信号数字化。配合MAX2990PLC基带调制解调器，提供当前市场上性价比最高的电力线网络数据通信方案。

　　系统软件

　　本系统采用Linux操作系统，因为Linux内核是采用模块化设计的一种自由和开放源码的操作系统，并以灵活性和高效性著称，具有字符界面和图形界面，支持多用户、多任务、多线程，且保证各用户之间不受影响。在此删除了其中冗余的功能模块，减少代码数量，降低系统时延，写入了需要的底层驱动，而且Linux操作系统支持Internet协议及其他通信协议，这样就不需要增加额外的协议转换器。

智能家居系统的组成

　　该智能家居系统主要由触摸屏控制、网关、ZigBee无线网络和电力线载波通信4部分组成。其中，触摸屏控制是主控部分，是整个系统的核心，用于控制信息的发送并且显示家居系统中的信息。网关用于在触摸屏控制和无线网络之间传递信息。ZigBee无线网络和电力载波负责发送设备信息和传递控制信息到各个设备，信息的发送通过与触摸屏控制模块相连的ZigBee节点和电力线来完成。触摸屏控制模块采用ARM嵌入式系统，分为硬件平台和软件平台两部分，其中硬件平台采用ARMCortex-M0+处理器及外围设备组成，负责各种数据运算和GUI的处理，软件平台由嵌入式Linux操作系统和应用软件组成。智能家居整体结构图如图1所示。该系统可以方便地控制照明灯、窗帘、家用电器等设备以及烟雾、红外检测、摄像监控等。zigbee智能家居优点如下：

　　1）超低功耗：在低耗电低功率的模式下，由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式，因此使用ZigBee协议可以使用寿命更长时间；

　　2）安全性高：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单（AccessControlList，ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性，保证你的家庭ZigBee网络的安全；

　　3）自组网，可容纳子设备多：网关的ZigBee网络理论上可以加入65535个子设备，相比于蓝牙个位数的数字，ZigBee的优势非常明显，更加适用于智能家庭多个设备要连入网络。

　　4）可靠：采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

　　5）485通信与ZigBee相互转换：楼层与楼层之间可以通过485通信连接，同层开关通过ZigBee连接，这就很好地避免了ZigBee技术的弊端。

　　无线智能家居其实已经落地，只有用“芯”才能做出好的产品，靠噱头只能赢得短期的喝彩，踏踏实实做好产品才是关键。关于zigbee智能家居控制系统的介绍就到这了，感谢关注！