智能家居技術(shù)淺談

【摘 要】當(dāng)人們不再滿足于傳統(tǒng)的家居環(huán)境單一的居住功能，希望能夠得到更加輕松、有序、高效的現(xiàn)代生活方式。于是承載著科技與創(chuàng)新的智能家居就應(yīng)運而生，它極大的滿足了人們對生活的更加高端的要求的同時，還能夠針對更多的方面對我們的家居生活進行管理。本文對目前智能家居系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)進行簡單的說明，來讓讀者了解這一種生活方式的實現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】智能家居；ZigBee技術(shù)；家庭網(wǎng)關(guān)；傳感器節(jié)點

在現(xiàn)今社會，人們的工作壓力越來越大，競爭越發(fā)激烈，給予家庭生活的時間也越來越少。當(dāng)結(jié)束一天工作的人們回到家時已疲憊不已，如果空調(diào)已經(jīng)將室溫降到適宜的溫度，飯已經(jīng)做好，洗澡水已經(jīng)放好，還有什么比這樣的生活更美好的呢？

傳統(tǒng)的家居環(huán)境只滿足了人們最基本需要，它的局限性日益凸顯。比如現(xiàn)在我們的生活中只能需要哪個開關(guān)工作，才去觸動相應(yīng)的這個開關(guān)，而無法進行整體的集中管理，這在某些情況下就不方便了。傳統(tǒng)的家居環(huán)境的對于安全的管理能力比較差，一旦發(fā)生火災(zāi)或者煤氣泄漏等危險情況的時候，不能夠及時有效地警報和處理，這對普通家庭造成的后果是嚴(yán)重的。此外，傳統(tǒng)家居在對實現(xiàn)遠程監(jiān)控、處理突發(fā)事件和及時獲取家居環(huán)境信息等方面的能力也極為有限，難以滿足人們對家居系統(tǒng)進行集中、智能、實時和遠程的監(jiān)控的需要。

針對這些問題，于是有了智能家居（Smart Home）的概念。所謂智能家居系統(tǒng)是指綜合使用各項通信、傳感器及控制技術(shù)，實現(xiàn)家居系統(tǒng)的人性化、智能化的集成管理系統(tǒng)。它的設(shè)計理念在于將家居的自動化、環(huán)境實時監(jiān)測、安全防護等集中在一個綜合的管理系統(tǒng)，即智能家居監(jiān)控系統(tǒng)上，同時要求該系統(tǒng)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和系統(tǒng)擴展性，可根據(jù)用戶實際需求進行功能上的增減。

現(xiàn)在國人對于智能家居的認(rèn)識還停留在起步階段，很多產(chǎn)品還在利用人們對智能家居的認(rèn)識不足而大打概念牌。讓很多消費者都誤以為這樣的產(chǎn)品是高科技，是新技術(shù)。其實早在1984年，世界上第一幢智能建筑就在美國康涅迪格州，這棟意義非凡的建筑其實只是對一座舊式大樓進行了一定程度的改造，它只是采用計算機系統(tǒng)監(jiān)控大樓的電梯、空調(diào)、照明等設(shè)備，并簡單提供語音通信、電子郵件、情報資料等方面的信息服務(wù)。當(dāng)然，這僅僅是智能家居的一個雛形。隨著科技的不斷進步，國外的智能家居系統(tǒng)技術(shù)己日趨成熟，尤其是歐美的發(fā)達國家，現(xiàn)正逐步的給一部分新房賦予其“智慧的心臟”。

1.技術(shù)依據(jù)

ZigBee技術(shù)是一種近些年才興起的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其突出的優(yōu)勢是成本低，功耗低。適用于網(wǎng)絡(luò)容量大，數(shù)據(jù)交換量小，對傳輸速率要求不高的場合。在通信時，連接時間短，大大減少了通信數(shù)據(jù)碰撞的概率。同時，它還會對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行加密處理，網(wǎng)絡(luò)的安全性比較高。因此，它完全滿足家庭用傳感器組網(wǎng)的要求。

ZigBee技術(shù)的物理層和MAC層的協(xié)議是由IEEE802.15.4工作組負責(zé)制定的，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，而高層應(yīng)用、測試和市場推廣等方面的工作則是由ZigBee聯(lián)盟負責(zé)。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層（PHY）和介質(zhì)接入控制子層（MAC）。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層框架的設(shè)計，其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層（APS）、設(shè)備對象層（ZDO）和由制造商制訂的應(yīng)用對象。

Zigbee支持的設(shè)備類型包括全功能設(shè)備（FFD）和半功能設(shè)備（RFD）。全功能設(shè)備可以和其他全功能設(shè)備或半功能設(shè)備通信，可以作為PAN協(xié)調(diào)器，路由器和終端設(shè)備。但半功能設(shè)備只能和全功能設(shè)備通信，所以也只能作為終端設(shè)備。在IEEE802.15.4物理層和MAC層基礎(chǔ)上，Zigbee網(wǎng)絡(luò)層還提供了一些功能，比如動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的建立、地址、路由等。

2.系統(tǒng)構(gòu)架

要建立一個完整的家庭控制網(wǎng)絡(luò)，光有通信技術(shù)是遠遠不夠的，比較普遍的方式是采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)來構(gòu)架智能家居系統(tǒng)，在這里介紹的系統(tǒng)是就由一個家庭網(wǎng)關(guān)和若干個無線通信ZigBee傳感器節(jié)點模塊組成的。

2.1家庭網(wǎng)關(guān)

在前面的內(nèi)容中提到的家庭網(wǎng)關(guān)，它作為整個智能家居系統(tǒng)的控制中心，與各傳感器節(jié)點互相連成一個內(nèi)部信息網(wǎng)。但內(nèi)部信息網(wǎng)絡(luò)還需要和外部網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通才能滿足用戶對監(jiān)控的要求，否則無法實現(xiàn)系統(tǒng)的集中化管理，不能實現(xiàn)設(shè)備的診斷和更新，以及遠程設(shè)置和維護，同時用戶無法獲取家中的各種情況，對家中的設(shè)備也無法進行管理和遠程控制。如何選擇家庭內(nèi)部信息網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的方式呢？通常的選擇是公用電話網(wǎng)，或者是互聯(lián)網(wǎng)。這就對應(yīng)電話接口和家庭網(wǎng)關(guān)這兩種設(shè)備。只是電話接口的數(shù)據(jù)傳輸能力和控制功能都十分有限，擴展性并不理想，因此，一般采用家庭網(wǎng)關(guān)這種設(shè)備來進行智能家居系統(tǒng)的控制。

2.2傳感器節(jié)點

智能家居傳感器網(wǎng)絡(luò)是在家庭環(huán)境中的指定位置布置傳感器節(jié)點，并且以無線通信的方式組成的網(wǎng)絡(luò)。每個傳感器節(jié)點集成了傳感器件、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，負責(zé)測量周圍一定范圍內(nèi)的溫度、濕度、光強度、不正常入侵等情況的變化，將接收到的信號轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)進行處理和通信，并且通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點不僅只有無線收發(fā)模塊，它還包括具有一定處理能力的MCU芯片，能夠根據(jù)預(yù)先寫入的程序采集傳感器的信息，進行命令、狀態(tài)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，控制設(shè)備，并且能對子網(wǎng)上的節(jié)點進行集中管理，從而維護整個傳感器系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。

通過布置在房間不同位置的溫度、濕度、光照等不同的傳感器，感知到居室所對應(yīng)區(qū)域的相關(guān)狀況，從而對相關(guān)家用電器進行控制，以便提供給人們更加舒適便捷的居住體驗。每個傳感器節(jié)點都集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，而該網(wǎng)絡(luò)是由隨機分布的傳感器節(jié)點通過自組織的方式構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點雖然數(shù)量大，但由于相互之間數(shù)據(jù)交換量小，所以對傳輸速率要求也并不高。

家庭網(wǎng)關(guān)是一臺全功能設(shè)備（FFD），在這里它充當(dāng)?shù)氖蔷W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由它來主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的建立，監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)的正常運行。給它配置較多的存儲空間，可以用來完成網(wǎng)絡(luò)初始化，數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制等功能。其他的無線通信ZigBee子節(jié)點模塊則是半功能設(shè)備（RFD），完成傳感器狀態(tài)采集，響應(yīng)查詢、設(shè)備控制等，正因為它們是半功能設(shè)備，所以這些ZigBee傳感器節(jié)點模塊只能與家庭網(wǎng)關(guān)之間進行通信，相互之間不能進行通信。

2.3物理接口

物理接口是網(wǎng)絡(luò)的信息管理的核心部分，也是家庭網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點之間的橋梁，家庭網(wǎng)關(guān)和各傳感器節(jié)點之間通信就是由物理層來完成的，并且能夠翻譯通信內(nèi)容，使家庭網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點之間能夠相互理解通信的內(nèi)容。

3.結(jié)語

綜上，智能家居必然成為未來住宅的發(fā)展趨勢，而本文通過對構(gòu)建智能家居系統(tǒng)的技術(shù)依據(jù)和系統(tǒng)構(gòu)架的說明，簡單闡述其相關(guān)的技術(shù)，而其中無線通信技術(shù)的應(yīng)用及系統(tǒng)的集成化、功能的多樣化是主流的發(fā)展趨勢，也為智能家居的發(fā)展提供了更加豐富的前景。我們也有理由相信這種生活方式離我們并不遙遠。 [科]

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