智能家居技術淺談

【摘 要】當人們不再滿足于傳統的家居環境單一的居住功能，希望能夠得到更加輕松、有序、高效的現代生活方式。于是承載著科技與創新的智能家居就應運而生，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的相關技術進行簡單的說明，來讓讀者了解這一種生活方式的實現。

【關鍵詞】智能家居；ZigBee技術；家庭網關；傳感器節點

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

傳統的家居環境只滿足了人們最基本需要，它的局限性日益凸顯。比如現在我們的生活中只能需要哪個開關工作，才去觸動相應的這個開關，而無法進行整體的集中管理，這在某些情況下就不方便了。傳統的家居環境的對于安全的管理能力比較差，一旦發生火災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重的。此外，傳統家居在對實現遠程監控、處理突發事件和及時獲取家居環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進行集中、智能、實時和遠程的監控的需要。

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

現在國人對于智能家居的認識還停留在起步階段，很多產品還在利用人們對智能家居的認識不足而大打概念牌。讓很多消費者都誤以為這樣的產品是高科技，是新技術。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監控大樓的電梯、空調、照明等設備，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。當然，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技術己日趨成熟，尤其是歐美的發達國家，現正逐步的給一部分新房賦予其“智慧的心臟”。

1.技術依據

ZigBee技術是一種近些年才興起的無線網絡通信技術標準，其突出的優勢是成本低，功耗低。適用于網絡容量大，數據交換量小，對傳輸速率要求不高的場合。在通信時，連接時間短，大大減少了通信數據碰撞的概率。同時，它還會對所傳輸的數據信息進行加密處理，網絡的安全性比較高。因此，它完全滿足家庭用傳感器組網的要求。

ZigBee技術的物理層和MAC層的協議是由IEEE802.15.4工作組負責制定的，其余協議主要參照和采用現有的標準，而高層應用、測試和市場推廣等方面的工作則是由ZigBee聯盟負責。IEEE 802.15.4標準定義了最下面的兩層：物理層（PHY）和介質接入控制子層（MAC）。ZigBee聯盟提供了網絡層和應用層框架的設計，其中應用層的框架包括了應用支持子層（APS）、設備對象層（ZDO）和由制造商制訂的應用對象。

Zigbee支持的設備類型包括全功能設備（FFD）和半功能設備（RFD）。全功能設備可以和其他全功能設備或半功能設備通信，可以作為PAN協調器，路由器和終端設備。但半功能設備只能和全功能設備通信，所以也只能作為終端設備。在IEEE802.15.4物理層和MAC層基礎上，Zigbee網絡層還提供了一些功能，比如動態網絡的建立、地址、路由等。

2.系統構架

要建立一個完整的家庭控制網絡，光有通信技術是遠遠不夠的，比較普遍的方式是采用星型網絡拓撲結構來構架智能家居系統，在這里介紹的系統是就由一個家庭網關和若干個無線通信ZigBee傳感器節點模塊組成的。

2.1家庭網關

在前面的內容中提到的家庭網關，它作為整個智能家居系統的控制中心，與各傳感器節點互相連成一個內部信息網。但內部信息網絡還需要和外部網絡聯通才能滿足用戶對監控的要求，否則無法實現系統的集中化管理，不能實現設備的診斷和更新，以及遠程設置和維護，同時用戶無法獲取家中的各種情況，對家中的設備也無法進行管理和遠程控制。如何選擇家庭內部信息網絡和外部網絡互聯的方式呢？通常的選擇是公用電話網，或者是互聯網。這就對應電話接口和家庭網關這兩種設備。只是電話接口的數據傳輸能力和控制功能都十分有限，擴展性并不理想，因此，一般采用家庭網關這種設備來進行智能家居系統的控制。

2.2傳感器節點

智能家居傳感器網絡是在家庭環境中的指定位置布置傳感器節點，并且以無線通信的方式組成的網絡。每個傳感器節點集成了傳感器件、數據處理單元和通信模塊，負責測量周圍一定范圍內的溫度、濕度、光強度、不正常入侵等情況的變化，將接收到的信號轉化成數據進行處理和通信，并且通過自組織的方式構成網絡。傳感器節點不僅只有無線收發模塊，它還包括具有一定處理能力的MCU芯片，能夠根據預先寫入的程序采集傳感器的信息，進行命令、狀態信息的轉發，控制設備，并且能對子網上的節點進行集中管理，從而維護整個傳感器系統的正常運轉。

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，感知到居室所對應區域的相關狀況，從而對相關家用電器進行控制，以便提供給人們更加舒適便捷的居住體驗。每個傳感器節點都集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊，而該網絡是由隨機分布的傳感器節點通過自組織的方式構成。網絡中傳感器節點雖然數量大，但由于相互之間數據交換量小，所以對傳輸速率要求也并不高。

家庭網關是一臺全功能設備（FFD），在這里它充當的是網絡協調器，由它來主導網絡的建立，監督網絡的正常運行。給它配置較多的存儲空間，可以用來完成網絡初始化，數據采集及設備控制等功能。其他的無線通信ZigBee子節點模塊則是半功能設備（RFD），完成傳感器狀態采集，響應查詢、設備控制等，正因為它們是半功能設備，所以這些ZigBee傳感器節點模塊只能與家庭網關之間進行通信，相互之間不能進行通信。

2.3物理接口

物理接口是網絡的信息管理的核心部分，也是家庭網關和傳感器節點之間的橋梁，家庭網關和各傳感器節點之間通信就是由物理層來完成的，并且能夠翻譯通信內容，使家庭網關和傳感器節點之間能夠相互理解通信的內容。

3.結語

綜上，智能家居必然成為未來住宅的發展趨勢，而本文通過對構建智能家居系統的技術依據和系統構架的說明，簡單闡述其相關的技術，而其中無線通信技術的應用及系統的集成化、功能的多樣化是主流的發展趨勢，也為智能家居的發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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