廖志远

摘要：该文对几种短距离无线通信技术进行了横向对比，分析了ZigBee技术的特征及其优点，探索了IEEE802.15.4协议规范，采用ZigBee技术设计了智能家居的整体系统框架结构及其各类功能和事件，设计和实现了一套完整的智能家居产品实验模型，并通过测试论证了系统的可行性，为后续的开发和应用推广奠定了基础。

关键词：ZigBee；智能家居；物联网；无线通信技术

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）07-0249-01

物联网的问世与发展打破了“物理基础设施与IT基础设施分开”的传统思维方式，将其应用到智能家居中将有效的提供家庭数据网络的数据传输服务（如电脑、电视等数字媒体），同时，针对于家庭中的灯光照明、环境监测、家居安防、家庭应急处理等功能通过控制网络使其具备互联和通信功能，实现更高效、更便捷、更节能的家居生活与工作[1]。

1 基于ZigBee的智能家居设计与实现

ZigBee技术具有通信可靠性高、网络扩展容量大、系统运行功耗低、系统通信时延短、有效通信范围大、专注与低传输速率、应用成本低、网络安全性高等特点和优势。

1.1 智能家居系统结构设计

智能家居系统分为五个大的部分：家庭网关部分、嵌入式主控机部门、ZigBee无线网络部分、数据采集传感器控制系统部分和节点控制设备部分，整体系统结构如图1所示：

1.2 智能家居系统事件设计

结合家居的环境及其特性，并根据我们的生活方式和生活习惯我们为系统设计了三种运行模式，而根据每个模式所设定的场景不同，我们要为每个场景设计不同的工作模式，这需要我们为每个模式设定相应的操作事件。设计中的无线网络事件分为用户指定事件和自发事件两种：用户指定事件采用的是按键或界面发送方式，例如用户选择睡眠模式，此时系统切断相应用电器电源，灯光熄灭、安防系统工作；而自发事件是指ZigBee网络节点检测到某种情况或接收到其他节点信息后自发产生的相应动作，例如火警触发，此时报警器拉响、灭火水阀开启、给用户发送短信报警。

除了上述的这些事件外，用户也可以在人机界面上对每个家庭设施单独发送指令。以上这些功能设计已经满足了绝大多数的家庭生活习惯，而且操作简单，比较符合智能家居的功能和人性化的要求。

1.3 通信协议的实现

为了实现数据在模块之间的传输，对无线模块内的参数和硬件资源标准化，从而可以采用相同的方法访问和控制各模块的内部资源，串口控制协议为用户提供了对模块的控制访问通道，从而可以实现串口对无线通信进行控制完成数据源的传递，参数的访问等。

2 ZigBee网络拓扑的构建

本文采用网状拓扑结构构建网络，其中我们可以加入路由的算法让节点可以根据每条信道的数据流量大小和拥堵情况进行判断，让节点智能地选择最短而且信道最为畅通的路由进行数据的快速转发，从而减小路由开销，同时保证数据的可靠性。而且假设在某个节点的设备出现故障时，与其相连的子节点会寻找另一个父节点重新接入网络，因此网络的健壮性较强。

综合考虑到智能家居中终端节点的变动很小，而且布局较为固定，其大规模的扩展可能性较小，在尽可能的降低系统的运行功耗和成本的情况下又必需保证高的通信成功率，网状拓扑结构的网络性能是比较适合的。

3 系统性能测试及结论

根据上述的网络部署方案我们对系统的网络性能进行了全立体方位的综合测试，在性能测试的过程中去全面了解该网络系统的功能。我们首先在不同的应用环境中的点对点通信进行了通信距离的测试，平均最大通讯距离可达到82米，最小通讯距离是3.1米。

通过一系列实验得出的数据得出结论：ZigBee网络的信号穿透性是满足实际要求的，对信号的贯通阻碍较大的环境可以通过设置多个网络节点的方式来进行数据的中转，这也表示ZigBee网络是可以用于智能家居的无线网络中的。

4 结束语

本文针对于ZigBee无线通信技术的特征，通过微缩模型模拟家居环境，研究并实现利用ZigBee无线通信技术构建智能家居系统。通过分析并定义了智能家居系统的标准化通信协议，实现串口对无线通信进行控制完成数据源的传递、参数的访问，并根据实际应用情况采用了健壮性、扩展性较强的网状拓扑结构来构建ZigBee网络。通过在不同真实家居环境中测试相邻节点的通信距离来验证系统的性能，从其结果来看该系统是可行的。

参考文献：

[1] 金纯，罗祖秋，罗凤.ZigBee技术基础及案例分析[M].北京：国防工业出版社，2008.

[2] 黄磊，付菲闵，华松.基于ZigBee技术的智能家居方案研究[J].嵌入式网络技术应用，2009，25（52）：71-73.

[3] 齐放.基于ZigBee的无线智能家居设计与实现[D].福建：厦门大学，2007.

[4] WiFi无线技术在智能家居中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，2012（3）.