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摘要：随着生活水平的不断提高，人们对住宅的功能要求越来越高，希望家居能植入智能化程序，实现物与物和物与人的交流，并且能随时随地了解家居状况和控制家居；越来越追求生活细节上的简单化与智能化，享受更加轻松、有序、高效的生活。物联网技术的出现为其奠定了良好的技术基础，给智能家居带来了春天。针对基于ZigBee技术的智能家居系统的相关技术进行研究，分析了ZigBee体系结构和网络拓扑结构，介绍了ZigBee技术在智能家居系统中的应用前景，并设计出基于Zigbee技术的智能家居系统。
关键词：ZigBee，无线网络，智能家居
中图分类号：TP273.5 文献标识码：B
文章编号：1001-9138-（2015）09-0063-67 收稿日期：2015-09-01
1 引言
智能家居是利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术，依照人体工程学原理，融合个性需求，将与家居生活有关的各个子系统如安防、灯光控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、地板采暖等有机地结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理，实现“以人为本”的全新家居生活体验。其系统的数据吞吐量要求很低，同时具备低功耗、低成本等特点，而基于IEEE802.15.4标准的短距离无线网络协议ZigBee技术正具备了以上特点，因此其在智能家居系统中的应用日益广泛起来，其可实现宽带网络家庭的延伸拓展，并使家庭组网更加便捷。
2 ZigBee技术介绍
IEEE 802.15.4协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，ZigBee正是其代名词。该协议主要适合用于自动控制和远程控制领域，可嵌入各种设备中。ZigBee技术有如下几点优势：第一，成本低。免协议专利费，而且每块芯片的价格大约为2美元左右。第二，低功耗。在低耗电待机模式下，两节五号干电池可支持1个节点工作半年至两年时间甚至更长。第三，速率低。其工作在20-250kbps的较低速率，在不同频带间分别提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。第四，近距离。其传输范围一般介于10-100m之间，在增加射频（RF）发射功率后，亦可增加到1-3km。第五，延时短。其响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms。第六，容量高。该技术可采用星状、树状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点。同时，主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。第七，高安全。其提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES 128）的对称密码，以灵活确定其安全属性。
基于上述特点可看出，ZigBee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间，其典型的传输数据类型有周期性数据（如传感器数据）、间歇性数据（如照明控制）和重复性低反应时间数据等。因此，ZigBee技术十分适合应用于智能家居系统之中。
3 ZigBee网络的构建
ZigBee采用的是自组网通信方式，该架构被称为无基础构架的无线局域网（Ad Hoe Wireless LAN），这种架构对网络内部的设备数量不加限制，并可随时建起无线通信链路。例如，协调器一直处于监听状态，新添加的RFD（半功能设备）会被网络自动发现，这时，FFD（全功能设备）会把RFD的信息传送给协调器，由协调器进行编址，并计算其路由信息，更新数据转发表和设备关联表等。若新添加到网络的是FFD，则可直接把自身信息上报协调器，并对周围的RFD设备进行轮询，记录它们的地址信息，通知协调器更新路由，此时新加入的FFD起到了一个桥梁的作用，RFD通过FFD和协调器进行间接通讯。这种分层结构，便于管理，增加了网络的透明度，有利于发现并自动添加新入网设备。在ZigBee网络中，所有设备均有一个64Bit的IEEE地址，可以分配一个16Bit的本地地址减小数据包的大小。
ZigBee网络常见的有三种拓扑结构，即树型拓扑、星型拓扑和网状拓扑（见图1），其中网状网通信应用较为普遍也十分实用，网状网通信实际上就是多通道通信。在应用现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为车祸、道路维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于有多个通道，车辆（相当于控制数据）仍然可以通过其他道路到达目的地，这一点对工业现场控制而言非常重要。而在ZigBee技术中则采用了动态路由的方式。所谓动态路由，是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中一条路径进行数据传输。在网络管理软件中，路径选择使用的是“梯度法”，即先选择路径最近的一条通道进行传输，如传不通，再使用另外一条稍远一点的通道进行传输，以此类推直到数据送达目的地为止。在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生变化，或者因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状拓扑结构，可以很好地解决这个问题从而保证数据的可靠传输。
4 ZigBee智能家居系统方案设计
ZigBee技术在智能家居系统中有着广泛的应用前景，在家居自动报警系统中可通过各种探头、传感器实现煤气泄漏、红外线防盗、烟雾及紧急求助报警等功能，报警信号可自动通过ZigBee网络传往控制中心或用户终端，并启动相关联动装置。在灯光和家用电气控制系统中也可应用ZigBee技术，通过无线方式将灯光和家用电器连接起来，只需使用一个遥控器在规定范围内就可以操控各种家用电器，而且遥控模块可嵌套在便携电子设备中，用户只需在设备上设定相应的操作，灯光和家电就会按照规定自动完成这些指令，同时每个操作都会有反馈信息说明操作已完成。 智能家居系统主要由主控制器和智能终端节点等构成。其中，主控制器负责家居系统的组网以及控制策略的执行（主控制器采用三星公司ARM11处理器S3C6410），通过主控制的GSM模块，用户可以很轻松的使用手机对智能家居系统进行远程监控。主控制器采用WindowsCE6.0嵌入式操作系统，并在此基础上开发应用软件。WindowsCE6.0软件资源丰富，界面友好，可裁剪程度高，非常适合主控制器的软件应用。
智能终端包括灯光控制器、窗帘控制器、家电控制器、智能开关插座以及安防消防设备等，是智能家居系统的控制以及执行设备。智能终端包括一个ZigBee模块负责无线数据的收发。其中，射频（RF）通信模块的核心部分采用CC2420射频收发器，CC2420是TI/Chipcon公司在2003年底推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器，也是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以0.18μm CMOS工艺制成，具有很高的集成度。该芯片体积小、功率低，其选择性和敏感性指数都超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用该芯片开发的无线通信设备支持数据传输速率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网，非常适合用于家庭及楼宇自动化、工业监控等应用系统。CC2420外围电路的原理图见图2。
5 结束语
本文主要探讨了ZigBee技术与智能家居系统的应用前景及基于该技术的家庭无线传感器网络构建与应用。这种方式在现实生活中具有很强的应用性，相信在不远的将来，会有越来越多由ZigBee技术延伸而出的设备投入应用，并将极大地改善我们的生活方式。
参考文献：
1.李文仲 段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战.北京航空航天大学出版社.2007
2.李晓维.无线传感器网络技术.北京理工出版社.2007
3.任秀丽.ZigBee无线通信协议实现技术的研究.计算机工程与应用.2007.6
4.ZigBee Alliance.ZigBee Specification.2007
5.张文亮 刘壮志 王明俊 杨旭升.智能电网的研究进展及发展趋势.电网技术.2009.13
6.赵凯 龚仁喜.基于ZigBee无线技术的智能家居系统设计.装备制造技术.2009.8
7.叶兴贵 缪希仁 陈伟东.基于ZigBee的智能家居遥控器设计.现代建筑电气.2010.10
8.叶兴贵 缪希仁.基于ZigBee的智能家居物联网系统.现代建筑电气.2010.9
9.周海飞.基于ZigBee技术的酒店安全监控设计.科技资讯.2011.21
10.乐强.WiMAX Mesh网络技术分析.信息安全与通信保密.2012.8
作者简介：
朱红，沈阳建筑大学高级工程师，主要研究方向为建筑智能化。
刘承宪，沈阳建筑大学讲师，主要研究方向为建筑节能。
王琦，沈阳建筑大学讲师，主要研究方向为建筑设计及理论。
Abstract：With continuous improvement of living standards，people have an increasing requirement on the residential function.Intelligent household has been a hope of human，which can realize communication between substance and human，whenever and wherever householders find out the home status and control them.Smart home can also make life safer，more comfortable and convenient.The emergence of the internet of things technology provides a good technical foundation and brings new development opportunities to smart home.In this paper，based on the ZigBee technology of smart home system related technology research，analysis of the ZigBee system structure and network topology，introduces the ZigBee technology in smart home system，and design a smart home system based on Zigbee technology.
Keywords：ZigBee，Wireless network，Intelligent home
陈品禄/责任编辑
关键词：ZigBee，无线网络，智能家居
中图分类号：TP273.5 文献标识码：B
文章编号：1001-9138-（2015）09-0063-67 收稿日期：2015-09-01
1 引言
智能家居是利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术，依照人体工程学原理，融合个性需求，将与家居生活有关的各个子系统如安防、灯光控制、煤气阀控制、信息家电、场景联动、地板采暖等有机地结合在一起，通过网络化综合智能控制和管理，实现“以人为本”的全新家居生活体验。其系统的数据吞吐量要求很低，同时具备低功耗、低成本等特点，而基于IEEE802.15.4标准的短距离无线网络协议ZigBee技术正具备了以上特点，因此其在智能家居系统中的应用日益广泛起来，其可实现宽带网络家庭的延伸拓展，并使家庭组网更加便捷。
2 ZigBee技术介绍
IEEE 802.15.4协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，ZigBee正是其代名词。该协议主要适合用于自动控制和远程控制领域，可嵌入各种设备中。ZigBee技术有如下几点优势：第一，成本低。免协议专利费，而且每块芯片的价格大约为2美元左右。第二，低功耗。在低耗电待机模式下，两节五号干电池可支持1个节点工作半年至两年时间甚至更长。第三，速率低。其工作在20-250kbps的较低速率，在不同频带间分别提供250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和20kbps（868MHz）的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。第四，近距离。其传输范围一般介于10-100m之间，在增加射频（RF）发射功率后，亦可增加到1-3km。第五，延时短。其响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms。第六，容量高。该技术可采用星状、树状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点。同时，主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。第七，高安全。其提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES 128）的对称密码，以灵活确定其安全属性。
基于上述特点可看出，ZigBee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间，其典型的传输数据类型有周期性数据（如传感器数据）、间歇性数据（如照明控制）和重复性低反应时间数据等。因此，ZigBee技术十分适合应用于智能家居系统之中。
3 ZigBee网络的构建
ZigBee采用的是自组网通信方式，该架构被称为无基础构架的无线局域网（Ad Hoe Wireless LAN），这种架构对网络内部的设备数量不加限制，并可随时建起无线通信链路。例如，协调器一直处于监听状态，新添加的RFD（半功能设备）会被网络自动发现，这时，FFD（全功能设备）会把RFD的信息传送给协调器，由协调器进行编址，并计算其路由信息，更新数据转发表和设备关联表等。若新添加到网络的是FFD，则可直接把自身信息上报协调器，并对周围的RFD设备进行轮询，记录它们的地址信息，通知协调器更新路由，此时新加入的FFD起到了一个桥梁的作用，RFD通过FFD和协调器进行间接通讯。这种分层结构，便于管理，增加了网络的透明度，有利于发现并自动添加新入网设备。在ZigBee网络中，所有设备均有一个64Bit的IEEE地址，可以分配一个16Bit的本地地址减小数据包的大小。
ZigBee网络常见的有三种拓扑结构，即树型拓扑、星型拓扑和网状拓扑（见图1），其中网状网通信应用较为普遍也十分实用，网状网通信实际上就是多通道通信。在应用现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为车祸、道路维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于有多个通道，车辆（相当于控制数据）仍然可以通过其他道路到达目的地，这一点对工业现场控制而言非常重要。而在ZigBee技术中则采用了动态路由的方式。所谓动态路由，是指网络中数据传输的路径并不是预先设定的，而是传输数据前，通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索，分析它们的位置关系以及远近，然后选择其中一条路径进行数据传输。在网络管理软件中，路径选择使用的是“梯度法”，即先选择路径最近的一条通道进行传输，如传不通，再使用另外一条稍远一点的通道进行传输，以此类推直到数据送达目的地为止。在实际工业现场，预先确定的传输路径随时都可能发生变化，或者因各种原因路径被中断了，或者过于繁忙不能进行及时传送。动态路由结合网状拓扑结构，可以很好地解决这个问题从而保证数据的可靠传输。
4 ZigBee智能家居系统方案设计
ZigBee技术在智能家居系统中有着广泛的应用前景，在家居自动报警系统中可通过各种探头、传感器实现煤气泄漏、红外线防盗、烟雾及紧急求助报警等功能，报警信号可自动通过ZigBee网络传往控制中心或用户终端，并启动相关联动装置。在灯光和家用电气控制系统中也可应用ZigBee技术，通过无线方式将灯光和家用电器连接起来，只需使用一个遥控器在规定范围内就可以操控各种家用电器，而且遥控模块可嵌套在便携电子设备中，用户只需在设备上设定相应的操作，灯光和家电就会按照规定自动完成这些指令，同时每个操作都会有反馈信息说明操作已完成。 智能家居系统主要由主控制器和智能终端节点等构成。其中，主控制器负责家居系统的组网以及控制策略的执行（主控制器采用三星公司ARM11处理器S3C6410），通过主控制的GSM模块，用户可以很轻松的使用手机对智能家居系统进行远程监控。主控制器采用WindowsCE6.0嵌入式操作系统，并在此基础上开发应用软件。WindowsCE6.0软件资源丰富，界面友好，可裁剪程度高，非常适合主控制器的软件应用。
智能终端包括灯光控制器、窗帘控制器、家电控制器、智能开关插座以及安防消防设备等，是智能家居系统的控制以及执行设备。智能终端包括一个ZigBee模块负责无线数据的收发。其中，射频（RF）通信模块的核心部分采用CC2420射频收发器，CC2420是TI/Chipcon公司在2003年底推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器，也是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以0.18μm CMOS工艺制成，具有很高的集成度。该芯片体积小、功率低，其选择性和敏感性指数都超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用该芯片开发的无线通信设备支持数据传输速率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网，非常适合用于家庭及楼宇自动化、工业监控等应用系统。CC2420外围电路的原理图见图2。
5 结束语
本文主要探讨了ZigBee技术与智能家居系统的应用前景及基于该技术的家庭无线传感器网络构建与应用。这种方式在现实生活中具有很强的应用性，相信在不远的将来，会有越来越多由ZigBee技术延伸而出的设备投入应用，并将极大地改善我们的生活方式。
参考文献：
1.李文仲 段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战.北京航空航天大学出版社.2007
2.李晓维.无线传感器网络技术.北京理工出版社.2007
3.任秀丽.ZigBee无线通信协议实现技术的研究.计算机工程与应用.2007.6
4.ZigBee Alliance.ZigBee Specification.2007
5.张文亮 刘壮志 王明俊 杨旭升.智能电网的研究进展及发展趋势.电网技术.2009.13
6.赵凯 龚仁喜.基于ZigBee无线技术的智能家居系统设计.装备制造技术.2009.8
7.叶兴贵 缪希仁 陈伟东.基于ZigBee的智能家居遥控器设计.现代建筑电气.2010.10
8.叶兴贵 缪希仁.基于ZigBee的智能家居物联网系统.现代建筑电气.2010.9
9.周海飞.基于ZigBee技术的酒店安全监控设计.科技资讯.2011.21
10.乐强.WiMAX Mesh网络技术分析.信息安全与通信保密.2012.8
作者简介：
朱红，沈阳建筑大学高级工程师，主要研究方向为建筑智能化。
刘承宪，沈阳建筑大学讲师，主要研究方向为建筑节能。
王琦，沈阳建筑大学讲师，主要研究方向为建筑设计及理论。
Abstract：With continuous improvement of living standards，people have an increasing requirement on the residential function.Intelligent household has been a hope of human，which can realize communication between substance and human，whenever and wherever householders find out the home status and control them.Smart home can also make life safer，more comfortable and convenient.The emergence of the internet of things technology provides a good technical foundation and brings new development opportunities to smart home.In this paper，based on the ZigBee technology of smart home system related technology research，analysis of the ZigBee system structure and network topology，introduces the ZigBee technology in smart home system，and design a smart home system based on Zigbee technology.
Keywords：ZigBee，Wireless network，Intelligent home
陈品禄/责任编辑