基于ZigBee的智能家居系统研究与实现

2019年5月

来实现显隐性病毒的有效清除,降低恶性事件发生的可能性。3结束语

总而言之,随着互联网信息技术的快速发展,各种各样的网络安全因素对人们工作生活所造成的影响越来越大,网络信息安全也受到了越来越多人的重视。并且网络信息拥有应用性与综合性相对较强的特征,其不单单属于一项技术问题,还属于一项管理问题,和方方面面的知识都有着十分密切的联系。所以,在进行计算机网络信息安全问题预防管理的时候,应该将各项可能对其造成影响的因素都考虑进去,并以此为基础对网络完全体系进行健全完善,这样才可以将其作用更大程度地发挥出来,给人们的工作生活提供更大的便利,进而为中华民族伟大复兴中国梦的实现提供更有力的支持和保障。

参考文献

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[2]马保银,王佳星,罗振邦,刘美宏,刘征,麦麦提阿吉·买买提沙吾提,钱基恒,刘赢赢.计算机网络信息安全中的虚拟专用网络技术运用分析[J].中国新通信,2019(03):74.

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[4]张艾玲,姜婧娆.项目教学法在《计算机网络管理与安全》课程的应

用探究[J].大连教育学院学报,2018,34(04):61-62.

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资源信息与工程,2018,33(06):187-188.

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收稿日期：2019-4-15

作者简介：李长隆,男,湖北潜江人,工程师,硕士研究生,研究方向为信息安全。

基于ZigBee的智能家居系统研究与实现邵羿晗（江苏省南通市如东高级中学，江苏省南通市226400）

【摘要】随着社会经济的持续发展和居民生活水平的不断提高，家庭室内智能设备被越来越多地应用于人们的日常生活中，基于物联网和人工智能的综合性智能家居系统应运而生。智能家居系统主要由各种家居单元、控制系统和通信网络组成。作为近场通信中的关键技术分类，

ZigBee通信技术可以有效提高智能家居系统的信息交换效率，同时有着功耗低、可靠性高的优势。本文从智能家居的概况和发展讲起，就Zig-Bee技术及其在智能家居系统中的作用进行了分析。

【关键词】智能家居；ZigBee；网络协议；系统架构

【中图分类号】TP273.5【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2019）05-0015-02

1智能家居概况及其发展

1.1智能家居概况

进入21世纪以来,信息化社会的发展不断提速,我们的

生活已经被各种信息化科技产品所包围,人工智能技术和互

联网技术极大改变了人类的生活方式。在新时代的家居生活

中,家居不再只是满足人们休息居住的需求,更多地则是承担

着家庭娱乐、信息交互、提高生活质量的功能,人们试图将家

庭中的各种家具连接在一起,智能地实时控制整个家居系统。

在这样的市场需求下,智能家居应运而生,其以智能控制、网

络通信和传感器技术为平台,在家庭中通过若干传感器收集

家庭的环境信息,例如温度、湿度、亮度、声音等,并采集用户的指示,智能调节家庭中各种家居设备,例如空调、窗帘、灯具等。智能家居完全颠覆了现有的家居生活方式,家居生活不仅变得更加舒适,同时被赋予了更多功能,家庭主人足不出户便可所示访问各种信息,享受各种服务,智能家居将家庭变成了一个个对外的接口,互联网中的所有信息变得触手可及,如图1所示[1]。

智能家居的特点主要有以下几点:

(1)家居自动化管理;

(2)家居物联网化、信息化;

(3)家居信息数字化。

1.2智能家居的发展

智能家居起源于20世纪的美国,著名的企业家,微软公司的创始人——

—比尔·盖茨最早提出了智能家居的概念,当时很多科技企业都纷纷加入智能家居的研发中。1980年,芯片企业霍尼韦尔公司研发了一种全家庭自主智能控制系统,通过此系统主人可以实时控制家庭中的所有用电器,并且可以对各种电器的属性和工作模式统一进行配置,该系统也被认为是史上首款具有真正智能家居意义的智能系统。几乎同一年代,美国麻省理工学院研制出一款名为MAVHOME的智能家居系统,该系统对于家庭中电器的常见设置都有备选,可供用户选择各种情景模式,同时功耗很低,但是连接性和扩展性稍显不足,只可连接最多8个设备。经过几十年的发展和变革,智能家居在全球范围内增长迅速,据统计,截止2108年,美国的智能家居市场规模已接近300亿,同时有超过十万户家庭享受着智能家居带来的便利[2]。

智能家居的发展可以概括为以下的四个重要时期:①20世纪80年代:概念产生期;②21世纪初:产品定型期;③2007-2010年:技术突破期;④2011年至今:融合发展期。智

能

图1智能家居示意图

通信设计与应用15

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家居的前景被很多专家和企业所认同,目前大多数国内外科技企业都在积极布局这一潜力领域,例如美的、海尔、小米、安居宝等。

2智能家居中的ZigBee 技术

智能家居系统主要分为感知层、网络层和应用层,其中感知层是若干的传感器,包括温度、湿度、光照、位移等传感器,这些传感器会将大量的信息传输到控制中心,网络层主要实现信息传递的功能,其中ZigBee 就是一种典型的网络层通信技术。ZigBee 技术是一种使用广泛的近场通信技术,其主要特点是四低,即:低能耗、低成本、低速率、低门槛,同时其也是一种全双工通信技术,足以满足大多数的应用场景[3]。

2.1ZigBee 技术的特点

ZigBee 技术之所以广泛应用于智能家居之中,是由于其多种特性。首先,ZigBee 是一种开源通信协议,没有注册专利,所以在使用ZigBee 技术时不用为其支付高额的专利费,同时ZigBee 的通信协议较为简单,而且兼容了早期的各种通信模式,所以大多数设备都可以使用该种协议,使得ZigBee 技术的应用成本低廉。另外,ZigBee 的能耗极低,这主要是得益于其自动休眠模式,当对接两设备间通信信号停止时,两端的设备自动进入休眠状态,据测试,大多数ZigBee 设备仅仅通过一节5号电池便可工作1年左右的时间。其次,短延迟也是ZigBee 的一个重要特征,在设备未启动时,其搜索智能家居设备的延迟不大于30ms ,而当ZigBee 设备已连接后,其通信延迟不大于10ms ,此种特性足以满足智能家居实时控制和快速响应的需求。最后,ZigBee 协议专门为通信添加了三层通信协议保障,还有防火墙等虚拟设施,使其安全性相比于其他通信方式更好。

正是基于以上的特性,ZigBee 技术越来越多地应用在智能家居网络的构建之中。

2.2ZigBee 网络协议结构

ZigBee 协议属于高级通信协议,是基于上世界的IEEE 协会制定的802协议,主要约束了网路的无线协议、通讯协议、安全协议和应用需求等方面的标准,其有效转播速率可以达到300Kbps (千比特率)[4]。和计算机通信的模式类似,ZigBee 的网络协议是分层结构,自下而上主要由五层结构构成,其中包括用户层,ZigBee 联盟和IEEE802.15.4协议,如图2所示。

3基于ZigBee 的智能家居实现形式

3.1ZigBee 智能家居网关架构

智能家居的功能需求主要有灯光控制、门窗控制、远程报警、温湿度监控和视频监控等组成,无论是哪一种系统需求,都需要传感器将信息传递至网关,然后由网关同意传输到智能控制系统,最后指挥执行器完成各种任务。根据智能家居的功能需求,ZigBee 网关与物联网结合,其主要控制设备有以下几种:手机APP 、平板电脑、桌面级电脑、智能控制器、单一功能开关等,当智能家居的成员需要工作时,由控制设备发出信号,信号由TCP/IP 网络传输至互联网(当用户不在智能家居网络中时,传输至互联网,当用户链接至本地智能家居网络

时,数据传输至局域网),然后,信号需要接入家庭的物联网平台进行处理,最后物联网和各应用设备之间的通信通过Zig 鄄Bee 网关实现。根据以上的理论分析,可以得出基于ZigBee 的智能家居网络架构,如图3所示。

3.2ZigBee 智能家居网络设计

此架构中,关键点是物联网和下层的执行设备、传感器之间的通信,也就是ZigBee 网关,主要涉及到局域网络网关服务器搭建和网络远程访问技术等。如图3所示的通信架构在转换过程中,ZigBee 需要先对所发送数据打包,形成协议数据包(此数据包的底层封装依赖于TCP/IP 协议),所以物联网在对上层通信时,只需要将ZigBee 协议去除,就可以直接传递给上层网络[5]。

此系统的运转依赖于大量的硬件,其中主要硬件设计需要注意以下几点:

(1)ZigBee 协议的硬件适配性。前面提到,ZigBee 设备具有很好的网络兼容性,此时则需要考虑物联网和上层网络的通信适配,使得系统软硬件相互兼容,通信可以有序进行;

(2)ZigBee 网络协议和设备API 对接,此要求主要是为了满足传感器的多样性,通过统一接口和复用接口,使得用户可以轻松扩展传感器和更多设备;

(3)系统的及时更新。物联网和互联网的发展迅速,很多标准和通信协议几乎每年都在发生变化,不论是网关还是各种通信网卡,其中的通信系统软件都必须及时更新。

4结束语

智能家居的时代已经到来,如果将智能家居比作人体,那么网络通信则是智能家居的神经和血管,担负着不可或缺的作用。基于ZigBee 技术的智能家居网络,层次结构分明,开发难度低,稳定性强,同时能够在低成本的情况下满足绝大多数设备的接入需求。在未来,ZigBee 将继续迭代,同时不断兼容其他网络协议,通过网络间的互联互通互融,构建更加便捷和高效的智能家居网络。

参考文献

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[4]戴振华.基于Zigbee 协议的农业温湿度数据采集系统开发[J].湖南科技学院学报,2017,38(6).

[5]尹航,张奇松,程志林.基于ZigBee 无线网络的温湿度监测系统[J].机电工程,2008,25(11):20-23.

收稿日期：

2019-4-6

图2ZigBee

网络协议层次图

图3基于ZigBee 的智能家居网络架构

通信设计与应用

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