zigbee智能家居怎么样?(6大因素让你快速了解)


zigbee智能家居

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如果你曾组建过自己的智能家居系统,或者体验过一些智能家居产品,应该会发现组网并不是一个简单的事。实际上,组网的不辩解确实成了很多人选择时的一个“劝退”因素。

而为了推动智能家居领域的进步,提供更好的产品和技术体验。组网需要的各种通讯技术也在不断更新,并且也带来了可以感知的体验上的变化。今天想聊一聊作为三大智能家居场景 IoT 通讯技术之一的 ZigBee。

ZigBee 3.0 有何不同

ZigBee 3.0 能带来智能家居的大一统体验吗?

2019 年 7 月,绿米高调推出了 ZigBee 3.0 的系列产品,基本覆盖了其已有的主要产品。这是一件很积极的事,因为ZigBee 3.0 将有机会打破不同产品类型,不同品牌甚至不同应用场景之间的组网壁垒,简单说就是可以让智能家居或者其它 IoT 网络组建和控制变得更便捷。绿米并不是唯一也不是第一家支持 ZigBee 3.0 的品牌,而越多的品牌和产品支持 ZigBee 3.0,对于消费者来说,就有机会获得更好的智能家居体验。

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ZigBee 3.0 能带来智能家居的大一统体验吗?
ZigBee 3.0 能带来智能家居的大一统体验吗?

目前,智能家居产品的组网和连接主要用的是三种传输技术——Wi-Fi、蓝牙和 ZigBee,三者有各自的特点。ZigBee 有低成本和低功耗的特点,在智能家居场景下,通常用在传感器、控制开关以及窗帘电机一类的单一功能设备上。

应该说相比起 Wi-Fi 和蓝牙,ZigBee 一开始就是为 IoT 而生的。但是最初 ZigBee 联盟为了给特定市场提供最优的标准,所以基于不同应用场景对于硬件、性能和成本的需要,设计了多种不同的 ZigBee 协议,包括家居场景(ZigBee HA)、照明(ZigBee LL)、建筑(ZigBee BA)、零售服务(ZigBee RS)、健康护理(ZigBee HC)以及通讯服务(ZigBee TS)等,而这些协议之间是没法通讯的。

这在之前一段时间里或许是没什么问题的,但随着 IoT 市场的发展,这种割裂就成了阻碍,直接影响到消费者的产品体验。比如采用 ZigBee HA 协议的开关就没法控制使用 ZigBee LL 的灯泡。甚至同样是采用 ZigBee HA 的设备也有可能没法链接,因为 ZigBee 以前会给厂商在这些协议基础上再做定制。总而言之,就是一直以来大家所体验到的那样——选择了 M 家的生态,就别想用 H 家的产品了。

随时 IoT 在智能家居市场的率先扩张,ZigBee 后来也曾在 ZigBee HA 的基础上进行过优化,推出过所谓的 ZigBee HA 1.2,以试图改善这种割裂感,但显然这也只是个中间方案。于是终于在 2016 年正式推出了 ZigBee 3.0,将原有的不同协议进行统一,使用相同的发现、加入和组网方式,并发布了认证标准以确保 ZigBee3.0 的规范使用。

ZigBee 3.0 是一统江湖的方案吗?

ZigBee 3.0 听起来确实很美好,出身正统(为 IoT 而生),积极上进(推陈出新),而且在 2016 年正式推出时,就有众多上下游厂商宣布及时跟进。到了三年之后的 2019 年,有报告显示有包括上游芯片厂商和下游解决方案商在内的众多企业都有实际的产品推进。比如离我们最近的,大家比较熟悉的绿米、欧瑞博等企业,也有数据称现在市场上有超过 3000 款的产品可供选择。

针对 ZigBee 3.0 所能创造的体验,我在淘宝和京东也做了一个简单的调查,咨询了部分有 ZigBee 3.0 产品的厂商,对方也确认只要是支持 ZigBee 3.0 的产品,不管自家还是他家均可以实现链接控制。当然,因为还没最近疫情的原因,暂时没有条件进行实际的测试,等工作恢复以后,我再找时间做一些实际的组网体验。

ZigBee 3.0 能带来智能家居的大一统体验吗?
ZigBee 3.0 能带来智能家居的大一统体验吗?

不过,对于 ZigBee 3.0 可能还是要冷静一点看,仅凭 ZigBee 3.0 就大谈 IoT 或者只是智能家居的大一统有点早。毕竟如今的智能家居组网除了 ZigBee,Wi-Fi 和蓝牙占比并不小。暂且不说 Wi-Fi,蓝牙也在不断针对 IoT 进行一些改进,现在也不少智能家居设备在可 ZigBee 可蓝牙的情况下选择了蓝牙,比如 Yeelight 一个系列的灯具就选择了蓝牙 Mesh,组网和控制体验也很不错。而有关蓝牙 Mesh 对 ZigBee 的挑战也是一个时常被提及的话题。

zigbee智能家居

再者,在智能家居市场还处在一个“混战”的阶段,ZigBee 3.0 跨品牌的特性有可能会一定程度削弱各家品牌的壁垒,智能家居厂商们应该也都有一些各自的考量。

目前,在智能家居产品中应用较为广泛的连接方式为ZigBee、Wi-Fi和蓝牙(BLE)这几种连接协议,但是大多数用户并不清楚他们之间到底有什么区别,在选择的时候往往会犯了选择困难症,究竟哪种协议更好改选哪种协议呢?其实这三种协议各有千秋,大家可以在了解之后选择使用最适合自己家居情况协议的产品。

ZigBee协议又名紫峰协议,它的命名来自于蜜蜂在发现花丛后通过“八字舞”传递信息的方式,在蜂群中,我们可以把这种八字舞(Zig)认为是它们主要的通信网络,由于这种通信方式对蜂群而言有着至关重要的作用,因此ZigBee就成为了这一短距离、低功耗无线通信协议术的最终名称。

ZigBee?Wi-Fi?蓝牙?智能家居的连接方式傻傻分不清?

其中,ZigBee协议最大的优势在于它能自动组成一个设备网络,然后通过中心节点联动各个设备的直接数据。而这个中心节点不仅起到运输数据的桥梁作用,还要管理整个ZigBee网络。一般来说,这个中心节点的重任由我们熟知的网关来担任,有了它的帮助,从理论上来说,ZigBee的网络节点可以达到65000个,完全可以满足我们日常生活的需要。但目前所销售的使用ZigBee协议的智能家居产品大多不自带网关,如果仅仅购买了产品而缺乏网关,我们将无法用手机对产品进行控制,无法实现产品的智能功能。

ZigBee?Wi-Fi?蓝牙?智能家居的连接方式傻傻分不清?

现如今Wi-Fi基本成为家家户户必备的设备,它传输数据的速度快、效率高,用户有着非常好的使用体验。而且手机中的内置网络协议都与Wi-Fi适配,因此选择使用Wi-Fi协议的产品可以轻松的与手机实现连接,无需网关作为中间桥梁。尽管使用方便,但是Wi-Fi还是有一定的缺点的。

ZigBee?Wi-Fi?蓝牙?智能家居的连接方式傻傻分不清?

首先是其较大的功率,一般待机时的功耗约为1W,而B ZigBee和蓝牙的功耗仅为0.1W。而在设备接入数量上,Wi-Fi也十分受限,如果有几十个设备需要用到Wi-Fi进行连接,超过路由器的的处理器负荷之后,就很有可能会让整个Wi-Fi网络处于瘫痪状态,甚至会影响到我们正常使用Wi-Fi。

蓝牙技术相较于前两者则是一种折中的选择,因为它不仅功耗低、相应速度快,而且它和Wi-Fi一样,手机中都会自带蓝牙协议,因此使用起来也非常方便。但是蓝牙技术的穿墙能力弱,很有可能在房间里的你就无法操控客厅的智能产品。

ZigBee?Wi-Fi?蓝牙?智能家居的连接方式傻傻分不清?

看到这里,不少朋友可能很好奇为什么智能家居产品会有多种连接方式。这是由于这几种连接技术发展比较成熟,在使用时很少出现问题,适用于大多数家庭。但是具体到每一种连接方式都有自己的优缺点,如果市面上的产品均设计为一种连接方式,用户在选择时难以因地制宜,这对产品的普及也会产生一定的影响。如果具体到产品,不同的产品可能在使用不同连接方式时使用的体验也会不一样,商家自然会选择安装最适宜产品的连接技术,给用户带来最好的体验。

ZigBee?Wi-Fi?蓝牙?智能家居的连接方式傻傻分不清?

虽然智能家居多种的连接方式给了我们更多样的选择,其实只有因设备和具体使用的空间环境来选择不同的智能家居协议才发挥各自最大的优势。

那么下面就为大家介绍几个小窍门:如果设备是插电使用的,选择Wi-Fi协议的比较合适;如果需要和手机进行交互,那么就用蓝牙协议;至于传感器类的产品,最好选择B ZigBee协议。除此之外,我们还要注意在购买单一支持ZigBee协议的产品时一定要确保自己家里有网关,否则产品将无法通过手机直接控制。

ZigBee?Wi-Fi?蓝牙?智能家居的连接方式傻傻分不清?

而Wi-Fi连接和蓝牙连接的产品因为可以与手机直接相连,所以无需考虑网关问题。需要注意的是,家用路由器可以接入的智能家居产品有限,因此不要选择过多采用Wi-Fi协议的产品,以免出现产品无法接入Wi-Fi的情况。

如果是使用蓝牙技术的产品在近距离可以很好的与手机进行交互,如果需要穿墙,那么信号将会大打折扣。因此这个设备如果是需要远程操控,一定不要选择仅支持蓝牙协议的智能产品。

ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,在众多领域有着广泛的应用前景。

智能家居是一个多功能的综合技术系统,它以家庭住宅为平台,利用先进的计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术、信息技术,将家庭中的各种电器设备通过某种形式的网络有机地连接在一起,进行网络化的综合管理与调控,为人们提供一个舒适、安全、方便、环保和高效率的生活环

本文所介绍的智能家居控制器利用ZigBee技术将家庭中许多相对独立的家用电器构成一个统一的智能家居系统,从而方便对家居中的各种电器设备进行本地操作,同时也可通过互联网或GPRS系统对各种电器设备实现远程控制。

一. ZigBee技术简介

ZigBee技术是近几年逐步发展起来,很有市场潜力的一种无线连接技术。它是为了满足低功耗、低数据量和低成本的无线网络要求而诞生的。它基于IEEE无线个人区域网(WirelessPersonal AreaNetwork,WPAN)工作组的80211514标准,被称为ZigBee技术标准。

完整的ZigBee协议由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成,如图1所示。

智能家居:以ZigBee技术实现控制器设计

IEEE80211514标准定义了物理层(PHY)和数据链路层(MAC);网络层以上的协议由ZigBee联盟负责制定,其中应用层包括了应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和由制造商制订的应用对象。

ZigBee以一个个独立的工作节点为依托,利用无线通信,通过自组织方式组成星型、网状和簇状3种网络结构,因此每个节点的功能并非完全相同。为了降低系统的成本,IEEE80211514定义了2种物理设备类型:全功能设备FFD (Full FunctionDevice)和精简功能设备RFD(Reduced FunctionDevice)。FFD节点具备控制器的功能,提供数据交换,能够作为网络协调器、路由节点和终端节点来使用,可以与网络中任何类型的设备进行通信;RFD只能作为终端节点来使用,而且只能与FFD通信,两个RFD节点之间不能通信。

Zigbee这一无线通信技术具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本、安全可靠、网络容量大、自组织、自愈能力强等特点,可广泛应用于多个技术领域,有着广阔的市场前景。

二 .基于Zigbee技术的智能家居控制器的设计

智能家居系统的网络通信具有如下特点:

①传输数据量小,无需太大的传输速度;②网络的容量大,以满足家庭中的各种家电设备;③信息的实时性好,时延短。

ZigBee的技术特点决定了其能很好地满足智能家居网络的上述需求,特别是具备自组织、自愈能力,这样的无线通信技术是智能家居系统理想的通信方式。

1、 能家居系统的基本构成

智能家居系统可通过GSM/GPRS/CDMA/网络、ZigBee个域网、互联网以及小区信息网实现信息的互联互通。用户在户外可通过手机调控家中的电器和照明装置,也可及时得到家中的防盗、防火、防煤气泄漏等报警信息;在家中可通过遥控器调控家电设备。控制器还兼有可视对讲系统室内主机功能,能查阅社区发布的各类信息,必要时可向社区保安发出报警求救信号。系统主要由一个智能家居控制器和若干个室内监控ZigBee功能模块组成。系统模型如图2所示。智能家居控制器经2个无线通信网络、互联网以及2条有线通信线路与外部设施实现信息的互联互通,因而智能家居控制器又可视为数字家庭网关。

智能家居:以ZigBee技术实现控制器设计

智能家居控制器内部装有手机模块,通过GSM(GPRS、CDMA)移动通信网络,与用户手机实现双向短消息收发。用户可通过手机短消息实现对家用电器的电源开关控制以及调光、调速控制;控制器以手机短消息的形式向用户手机发送报警信号,供防盗、防火、防煤气泄漏以及家庭突发事件报警用。

控制器内部装有1个ZigBee模块,通过Zig2Bee无线网络与家居中的监控装置进行通信,作为ZigBee网络协调器(FFD)来使用。它负责组建智能家居ZigBee网络,接收系统控制中心发送的指令,并做出相应地处理。同时还要将从路由节点(FFD)或终端节点(RFD)接收到的数据发送给系统控制中心。

室内监控设备按用途可分为3类:第一类为开关与插座,最简单的插座通过小电子开关的通断实现对家用电器(如电饭煲、饮水机、电视、冰箱、空调、洗衣机、电动窗帘以及不需要调光的灯具)的电源开关控制;较复杂的智能开关和插座具有输出功率可调的功能,用于吊灯、落地台灯的调光或电风扇的调速等。第二类为传感器产品,其中热释电红外传感器和门磁传感器用于防盗,烟雾传感器用于防火,瓦斯传感器用于防煤气泄漏,还有手动报警按钮用于突发事件(如孤寡老人突然发病)的报警。这些节点都带有ZigBee模块,作为网络的终端节点(RFD)。第三类为手持遥控器,除实现对家用电器开关控制、调光调速控制外,还具备照明场景设定与控制功能。

若小区配置有物管通信网络和门禁对讲系统,控制器兼备可视门禁对讲系统的室内主机的功能。

控制器上的液晶LCD显示屏可显示访客的图像画面,与访客进行对讲或开锁操作。此外,控制器可接收小区物管发送的各类文字信息;当室内发生意外时,可向小区物管发送报警信号。控制器备有互联网接口,供用户在异地时通过互联网控制家中电器的运行,也可监视家中发生的事件。下一代互联网的问世将为此项功能的应用提供极大的支持,到那时,每个家电及控制器本身都将有自己的静态IP 地址,从而成为网络中的一员。

ZigBee的簇状网络综合了星型和网状结构的特点,我们在实际应用中利用智能家居控制器及ZigBee传感器节点组成簇状网络。它具有良好的可扩展性,对于大户型或别墅用户而言,可以通过增加路由节点来扩大网络覆盖范围;对于小户型的用户而言,可以通过减少路由节点变成星型网络,以节省能量、加快数据传输速度。

2、能家居控制器的硬件设计

2.1 能家居控制器简介

智能家居系统的核心部件是智能家居控制器。其组成框图如图3所示,它以嵌入式处理器为中心,由手机模块、ZigBee模块以及必要的辅助接口组成。智能家居控制器是整个智能家居系统的控制中心,其硬件核心是中央处理器,所有的设备控制、任务调度、通信协议转换、数据收发和数据管理等任务都需要中央处理器。从功能、可扩展性、操作系统支持及功耗等方面考虑,我们选择功能强大的32位ARM9微处理器S3C2410X作为主处理器,存储器选用64M的NAND Flash和64M的SDRAM。

在人机接口方面,采用5英寸的TFT液晶屏,并配置相应的触摸屏。可用于显示访客图像和小区物管发送的各种信息,并使用户可方便地输入数据去控制各种家居设备。另外为了控制方式更灵活,利用处理器的I2C总线接口设计键盘接口,从而可扩展各种控制、报警方式。控制器有2个通信模块:手机模块和ZigBee模块。手机模块由主机模块、SIM卡接口、音频部分和射频部分组成,采用SIMCOM公司生产的SIM300芯片(GPRS 模块)。与ARM进行数据传输采用标准的RS - 232接口,通过使用AT命令完成对该模块的操作,实现短消息的收发。Zigbee模块采集各种家电设备运行状态并接收各种故障报警信息,通过RS - 232接口与ARM进行数据传递。

控制器配有以太网接口,配合控制器上建立的Web服务器,用户可通过Internet完成对家庭环境及各种家电设备的监控。图3中的RS - 485接口用于与小区物管的通信(与原有的小区网络配合。若为新建小区,可直接使用以太网接口).利用MAX3232将ARM9的两个USART收发器,组成两个RS - 232端口和一个RS - 485端口。

音频接口利用微处理器内部的IIS总线接口与外部音频数字信号编码器芯片(UDA1341TS)组成。

视频接口采用中芯微的DSP芯片,将视频信号转换成微处理器能够处理的JPG文件格式或二进制图像流,经处理后送LCD屏显示。

智能家居:以ZigBee技术实现控制器设计

2.2 能家居控制器中的Zigbee模块

ZigBee模块采用全功能设备(FFD)类型,它在智能家居系统中承担着网络协调器的角色,可提供信息的双向传输,以连接智能家居系统中其它精简功能设备(RFD)。

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构,在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU (8051),具有128KB可编程闪存和8KB的RAM ,还包含模数转换器、4个定时器、AES - 128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路,以及21个可编程I/O引脚。

CC2430芯片采用0118μm CMOS工艺生产,工作时的电流损耗为27mA ;在接收和发射模式下,电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性,特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

CC2430带有2个强大的支持几组协议的US2ART通信接口,通过此通信接口中的一个,S3C2410X处理器可以对CC2430进行写入或读取配置信息,也可以收发数据。CC2430芯片集成了CRC和数据完整性检查等功能,减少了程序员编程的工作量,加快了通信的速度,减少了能量消耗。同时,芯片还采用了CS2MA - CA技术来避免数据发送时的竞争和冲突,减少了一部分不必耍的能量消耗。因此CC2430芯片具有超低的能耗,其使用寿命可以年来计算,价格便宜,符合传感器网络需要大量分布节点的特点。

控制器通过RS - 232接口利用Zigbee模块采集各种家电设备运行状态并接收各种故障报警信息。

3、 能家居控制器的功能

智能家居控制器操作系统选用开源的嵌入式Linux操作系统,通过裁减后移植到控制器硬件平台上。该智能家居控制器将Linux,ARM系统、手机模块和ZigBee模块组成一个整体,构成了一个功能齐全的嵌入式系统,利用ZigBee技术轻松实现家庭内部多节点的无线连接。智能家居控制器的功能为

(1)采用ARM架构的32位嵌入式RISC处理器和开源的嵌入式linux操作系统;

(2)是智能家居控制系统的控制中心,也是家居系统中信息家电平台的网关;

(3)遇盗抢或疾病,按紧急按钮,自动向管理中心报警;

(4)以家庭为单位配置,利用液晶屏显示小区通知、系统各部分工作状况及数据;

(5)利用ZigBee传感器节点监测各种故障报警数据(火灾、煤气泄漏等),并自动通过手机模块发给用户或小区管理中心;

(6)通过以太网(或RS - 485)与小区管理中心通信;

(7)通过控制器上的无线ZigBee模块与家居系统中各子节点进行通讯,对多种家电设备进行相应的控制;

(8)用户可通过Internet远程监控家庭中的多种家居设备。

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智能家居控制器通过Zigbee模块采集各种家电设备的运行状态并将各种故障报警数据存入数据库;对故障报警优先处理,通过手机模块自动发送短信息到用户手机或小区物管,并将现场数据实时存入数据库,以便对各种信息进行进一步的分析和统计。在这里数据库成为了连接前后台的中间件,存储状态数据供远程监控和本地LCD显示,同时接收浏览器和本地键盘输入,由通信程序、CGI程序完成控制命令的下传及运行状态的上传;同时数据库还需实现故障的分析统计和查询。在本系统设计中,我们采用嵌入式数据库SQLite以满足系统远程控制数据传递、数据共享的要求。

控制器的软件主要分为4个模块:与数据采集接口的通信程序、故障报警程序、本地的人机交互程序和远程控制程序。为了使用户可以在Internet上通过浏览器控制智能家居网络,需要在控制器(数字家庭网关)上架设Web服务器与用户进行通信,并通过CGI接口调用后台CGI程序。CGI程序在Web服务器和控制程序间建立联系,调用具体的控制程序,实现对智能家居网络内部节点的指定操作。它监控网络,随时随地都能知道网络内设备的状态并控制网络内的各种设备。网络监控在家庭网络中也是非常重要的,使用户可以随时了解网络的状况,如设备的加入退出、设备故障等等。

三 .结语

ZigBee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺。智能家居控制器硬件由先进的ARM9嵌入式系统、手机模块和ZigBee模块组成;操作系统采用嵌入式Linux,家庭网络采用ZigBee无线网络,安全性好,系统功能完善,能够适应今后智能家居发展的需要。

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