zigbee智能家居控制系统原理

　　看到ZigBee这个名字，我们大概能猜到它的由来离不开“蜜蜂”。蜜蜂（bee）是用“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀“翩翩起舞”来进行通讯，因此，这个形象的名字由此产生。下面我们就来讲讲zigbee智能家居控制系统原理是怎样的吧！

zigbee智能家居控制系统原理

　　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。

　　随着全屋智能不断普及，未来ZigBee将成为智能家居普遍支持的主流通讯协议之一。ZigBee 3.0提供了无与伦比的兼容性、安全性与可靠性，并且，由于 ZigBee 3.0 的设备搭载能力大，可接入上百个智能家居设备，不易掉线，有效解决了智能家居设备连接数量少、状态不稳定的痛点，为全屋智能的实现提供了更有利的基础。

　　可是已经有了WiFi、蓝牙，为何还需要ZigBee？

　　虽然蓝牙技术许多优点，但对工业、家庭自动化控制和工业遥测遥控领域而言，它显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等。

　　特别是在工业自动化领域，对无线数据通信的需求越来越强烈。对于工业现场，这种无线数据传输必需有很高的可靠性，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。

　　因此，ZigBee协议在2003年正式问世。

　　ZigBee的Mac层、PHY层基于 IEEE802.15.4协议。根据这个协议规定的技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。

　　ZigBee有何魅力？

　　1、低功耗

　　在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6-24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比之下蓝牙可以工作数周、WiFi可以工作数小时；

　　2、低成本

　　通过大幅简化协议是成本很低（不足蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee的协议专利免费；

　　3、短时延

　　ZigBee的响应速度较快，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，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3-10s、WiFi需要3s;

　　4、高容量

　　ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，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；

　　5、高安全

　　ZigBee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（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性。

基于zigbee的智能家居系统设计

　　通过ZigBee技术实现智能家居内部组网，具有远程控制方便，添加新设备灵活和控制性能可靠等优点。通过RFTD技术实现用户身份识别，提高系统的安全性。通过GSM模块的接入，实现了远程控制和报警功能。

　　对于ZigBee技术在智能家居领域的应用情况，据ZigBee联盟理事单位及中国智能家居产业联盟理事单位上海顺舟智能科技股份有限公司表示，在智能家居实际应用场景中，采用基于ZigBee标准的ZHA、ZLL和透传标准协议，可实现不同设备间的互联互通，超高效率地扩大了产品的兼容性。

　　在智能家居无线通信网络中，任何无线设备节点都可以作为中继路由的节点，网络中的每个节点都可以发送和接收信号，每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。这种结构的最大好处在于，即使中间有任意节点出现故障，但数据也都可以自动选择另一条路由链路来进行通信传输，极大的保证了数据安全有效的传输。

　　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技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了Zigbee技术适合于承载数据流量较小和QoS的要求不高的业务。

　　ZigBee的主要特性包括：工作频段：2.4GHz、868MHz、915MHz；最高数据传输速率：250、20、40kbps；覆盖范围：10～100 m；协议栈容量：28 KB；可连接的设备数量为254个，且功耗极低、响应速率极快，模块成本在2美元左右。

　　基于ZigBee技术的家庭网络的组建

　　1、家庭网络拓扑结构的选择

　　ZigBee标准有三种网络拓扑结构：星型、网状、树型。本文智能家居系统的实际情况如下：

　　（1）、传感器节点由电池供电，而家庭网关通过电源供电，所以应该尽量减少传感器节点的工作量，以节约传感器节点用电；

　　（2）、智能家居中接入的主要是传感器和开关，网络中数据量不大，没有必要采用复杂的网络拓扑来保证数据通信；

　　（3）、智能家居控制网络的设计不需要很大的覆盖范围，根据ZigBee标准的说明，空旷环境最大传输距离100m，在室内环境一般也能达到30多米的覆盖距离，这对于大多数的智能家居系统来说足够了。星型拓扑结构完全能满足要求，并且成本低廉、实现简单、连接容易、容易扩充和管理、不涉及路由寻址等功能，因此本设计选择星型拓扑结构。

　　基于ZigBee技术的智能家居系统的网络拓扑结构如图2所示。其中，家庭网关是全功能设备，它充当网络协调器，由它主导网络的建立，监督网络的正常运行。它配置较多的存储空间，完成网络初始化、数据采集、设备控制等功能。另外，它配置16bit本地地址给设备以节省带宽。其他的无线通信ZigBee子节点模块则是精简功能设备，完成传感器状态采集，查询响应、控制设备等，它们只能与家庭网关之间进行通信，相互之间不能进行通信。

　　2、家庭网络的组建

　　ZigBee网络具有自组织功能和自愈功能，这就保证了ZigBee网络的建立，增加和删除一个节点以及节点位置发生变动，不需要人工干预ZigBee网络可以自动完成。

　　家庭网络的组建主要包括系统上电初始化，网络拓扑更新和节点与网关通信三方面。家庭网关是系统的主控设备，起着网络协调器的作用，主导网络建立和网络运行的整个过程。

　　（1）系统上电初始化

　　系统上电以后，家庭网关以广播的方式向上电的终端节点发送数据帧，终端节点收到数据帧以后，会产生一个0～256之间的随机数，这个随机数乘以系统的时延基数得到该节点的时延。每个节点等到时延以后向家庭网关发送入网请求（此时用64位IEEE扩展地址作为节点号），家庭网关收到请求以后给终端节点分配一个16bit的地址作为入网后的节点号，并在地址表中记录该节点的信息。若终端节点发送请求一段时间后没有得到网关的回应，则再产生一个随机时延重新发送请求。家庭网关采集完所有上电终端节点信息后，则系统上电初始化完成。

　　（2）网络拓扑更新

　　ZigBee网络具有自组织功能，当网络拓扑发生变化后，家庭网关应该发现并记录发生的变化，网络拓扑变化主要是终端节点的接入和拆除引起的。终端节点的接入：系统运行中，新上电的终端节点向家庭网关发送入网请求，家庭网关收到请求后首先检查地址表中是否记录了该节点，若没有则给节点分配一个16bit的节点号，并在地址表中记录该节点的信息。如果节点发送请求一段时间后没有得到回应，则等待随机时延后再次发送请求。这样就完成了终端节点的接入。

　　终端节点的拆除：终端节点的拆除可能有两种情况，一是终端节点请求拆除，网关节点收到请求后，收回节点号并对拆除请求进行确认；二是家庭网关三次与一个终端节点请求通信失败后，则将该节点拆除，如果该终端节点三次向网关请求通信失败，该终端节点重新发送入网请求，并被分配一个新的节点号。

　　（3）节点与网关通信

　　终端节点只能与家庭网关通信，节点之间不能通信。家庭网关对终端节点的操作包括信息采集、节点设置、节点操作和节点重启。信息采集就是指采集传感器节点上传的信息，如温度、湿度等；节点设置就是指设置终端节点的某些参数，譬如煤气传感器的门限值；节点操作主要指对终端节点的控制，例如对照明系统的亮度控制，电视及空调的开关等。节点重启指当家庭网关发现终端节点上传的数据明显错误时，关闭该节点并重新启动。

　　ZigBee网络应用层有四种类型帧格式：数据请求帧、数据确认帧、命令请求帧、命令确认帧。其中数据请求帧和命令请求帧统称为请求帧，有相似的帧格式；数据确认帧和命令确认帧统称为确认帧，帧格式相似。

　　在系统运行中还要注意终端节点电量的监测，终端节点电量过低可能会发出错误信息。因此，家庭网关必须对终端节点的电量进行监测，当发现节点电量较低时，拆除该节点。

　　此外，为了降低终端节点的功耗，当终端节点没有数据通信时，节点处于等待或休眠低功耗模式，家庭网关记录该节点的状态，当该节点有数据通信时再将其唤醒。智能家居系统的ZigBee网络就是这样组建起来的。

　　3、通信协议

　　ZigBee网络的物理层和MAC层的通信协议遵循IEEE802.15.4标准，由于本文中智能家居系统中ZigBee网络采用简单的星型拓扑结构，网络层也不涉及路由寻址等问题，因此，本文通信协议的设计主要考虑应用层。

　　4、ZigBee节点的实现

　　传感器的实现机理是以ZigBee传输模块代替传统的串行通信模块，将采集的数据以无线方式发送出去。其主要包括ZigBee无线通信模块、微控制器模块、传感器模块及接口、直流电源模块以及外部存储器等。ZigBee无线通信模块负责数据的无线收发；微控制器负责链路管理与控制，执行通信协议和相关的处理过程，包括建立链接、频率选择、链路类型支持、媒体接入控制和功率模式等。调理的传感器模拟信号经过A/D转换后暂存于缓存中，由ZigBee无线通信模块通过无线信道发送到主控节点，再进行特征提取、信息融合等高层决策处理。

　　四、结束语

　　ZigBee技术弥补了低成本、低功耗、近距离和低速率无线通信市场的空白，随着正式版本协议的公布，更多的注意力和研发力量将转移到应用的设计和实现上。目前智能家居在国内外都有了很大的发展，并趋于完善。

　　看完小编今天为大家带来的zigbee智能家居控制系统原理介绍，大家是否领略到这一通讯技术的魅力呢~~Zigbee是物联网中使用最广泛的智能家居技术之一。 它在全球拥有超过10亿个Zigbee芯片，已进入许多最大的智能家居生态系统。随着Zigbee的广泛采用并进入许多知名和广受好评的生态系统，Zigbee在智能家居市场得到了证明。

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