ZigBee技术及智能家居剖析

ZigBee技术及智能家居2020年1月19日主要内容一二ZigBee网络通信特点无线传感器网络构建ZigBee智能家居系统三在刚刚过去的2015年极客公园创新大会上，小米首次在非官方平台上发布了新款产品：小米智能家庭套装：•多功能网关•人体传感器•门窗传感器•无线开关共同特点主要功能•支持Zigbee协议•使用小米智能模块•连接ZigBee设备，超低功耗•把ZigBee设备连接小米云和其他设备•多功能扬声器，18颗全彩LED可调夜灯ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。随着近两年智能家居的潘多拉魔盒被打开，各类智能家居产品经历了从无到有的过程后，数量将会越来越多，Zigbee协议才又重新走入了大众的视野。什么是ZigBee协议？ZigBee技术是一种提供控制或传感器等电子元器件之间无线连接的无线通信技术。区域1区域N数据库PCPC网关GPS区域1区域N数据库PCPC网关GPSGPSGPSGPSGPSGPSGPSGPSGPS网络节点网络节点Zigbee的自身优势1、低功耗2、低成本3、低速率4、近距离5、短时延6、高容量7、高安全8、免执照频段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。相比较,蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。通过大幅简化协议(不到蓝牙的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免协议专利费。每块芯片的价格大约为2美元。Zigbee工作在20～250kbps的较低速率,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。传输范围一般介于10～100m之间,在增加RF发射功率后,亦可增加到1～3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力,传输距离将可以更远。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。Zigbee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。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。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段,2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)。与其他通信技术比较名称项目ZigBee™802.15.4Bluetooth™802.15.1Wi-Fi™802.11bGPRS/GSM1xRTT/CDMA应用领域广阔范围声音&数据Web,Email,图像电缆替代品监测&控制系统资源16M＋1M+250kb+4KB-32KB电池寿命（天）1~70.5~51~7100~1000+网络容量1327255/65000带宽64~128+11000+72020~250传输距离1000+1~1001~1010~100+特点覆盖面积大，质量好速度快，灵活性价格便宜，方便可靠,低功耗,价格便宜与其他通信技术结合①与RFID技术的结合使用特点：相辅相成，方便灵活，解决了通信距离近、电源续航能力、移动定位以及覆盖范围有限的一些问题。缺点：易受环境影响。②与GPRS（GSM）的结合使用特点：传输距离远、传输数据质量好、覆盖面积大。缺点：后期费用高，响应启动时间缓慢。③与3G技术的结合使用特点：能实现随时随地的数据交换。缺点：手机需要支持3G，费用增加。无线传感器网络构建基于ZigBee技术的居室安全监测系统设计，采用的树型拓扑结构，主要因为其结构简单，实现方便，不需要大量的协调器节点，降低了成本.每个终端无线传感器节点为每家的气表（平时无线通讯模块为掉电方式，通过路由节点来激活），手持式接受机为移动的路由3种有效的网络结构（星型、树型、网状型）中心节点是整个监测系统通讯、控制核心，通过RS232串口与工业控制计算机相连，通过计算机的人机交换界面，实现整个系统的可控性和可视性。所有路由节点或部分终端节点的数据，均通过中心节点与工控机进行数据交换，实现整个系统的中央监测与调节。通过功能模块设计，具有功能键设定、液晶参数显示、越限提示报警和设备自动调节的功能。安防模块安防信号湿度传感器红外探测器紧急按钮探测器瓦斯气体传感器温度传感器基于ZigBee技术的居室安全监测系统设计系统图ZigBee智能家居子系统总体设计家庭智能交互终端安全提醒紧急报警移动设备家庭防火用电安全煤气安全突发情况用户软件流程设计安防模块不仅对所安装的各种安防信号进行处理，而且响应电话控制信号，当安防模块检测到紧急情况按钮后，根据用户预设的可控程序，进行远程的电话呼救操作。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。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，可以预见随着微电子技术、Zigbee技术、网络技术、电源技术的发展，传感器与Zigbee技术的融合将进一步紧密.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。家庭影院频道直播视频分享家庭安防智能门禁红外监测视频监控门磁感应烟感监控燃气监控灯光控制窗帘控制家电控制插座控制幕布控制家庭养殖花草浇灌宠物喂养日常保健远程诊断智能家庭系统