面向智能家居的無線網絡協議分析

楊 浩,王 哲（中州大學 信息工程學院,鄭州 450006）

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面向智能家居的無線網絡協議分析

楊 浩,王 哲
（中州大學 信息工程學院,鄭州 450006）

摘 要:智能家居的實現需要現代通信和計算機網絡搭建控制平臺，提升家居安全性、自動控制性、舒適和藝術性，實現個人信息終端和家電設備的智能化互聯。本文重點分析了TCP/IP協議、Zigbee協議、UWB超寬帶協議，它們是搭建智能家居網絡平臺和控制系統的核心無線網絡協議。

關鍵詞:智能家居；無線網絡；TCP/IP協議；Zigbee協議；UWB超寬帶協議

1 前言

智能家居的實現需要現代通信和計算機網絡搭建控制平臺，提升家居安全性、自動控制性、舒適和藝術性，實現個人信息終端和家電設備的智能化互聯。利用計算機網絡技術、無線傳感網絡技術、音視頻技術將家電設備互聯，構建信息化管理系統，并實現環保節能的居家環境。

智能家居系統包含的主要子系統有：綜合布線系統、計算機網絡系統、手機控制管理系統、家庭照明系統、家庭安保系統、家庭娛樂多媒體系統、室內溫控系統等統[3]。

智能家居是互聯網+物聯網的實現。例如：一個人遠程可遙控家中電視、空調、洗衣機、電飯煲的開關;手機記錄觀察家庭時時刻刻的圖像，發生盜竊、自來水忘關、燃氣忘關可以自動報警等；控制冰箱保鮮食物的程度，將電視節目自動保存，這就是智能家居鮮活例子。

2 網絡協議

2.1 TCP/IP協議

IP協議位于TCP/IP協議族的第三層：網絡層。IP協議就是因特網協議。IP協議規定了數據傳輸時的基本單元和格式。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP數據都以IP數據報格式傳輸。在現實生活中，我們進行貨物運輸時都是把貨物包裝成一個個的紙箱或者是集裝箱之后才進行運輸，在網絡世界中各種信息也是通過類似的方式進行傳輸的。IP協議的作用就是向傳輸層（TCP層）提供統一的IP包，即將各種不同類型的MAC幀轉換為統一的IP包，并將MAC幀的物理地址變換為全網統一的邏輯地址。用貨物運輸做比喻，IP協議規定了貨物的運輸方法和運輸路線[4]。

TCP協議位于TCP/IP協議族的第三層：運輸層。TCP（傳輸控制協議）協議負責為兩臺主機提供高可靠性的數據通信。它所做的工作包括把應用程序交給它的數據分成合適的小塊交給下面的網絡層，確認接收到的分組，設置發送最后確認分組的超時時鐘等。簡單的說在TCP模式中，對方發一個數據包給你，你要發一個確認數據包給對方。通過這種確認來提供可靠性。

2.2 Zigbee協議

ZigBee得到了越來越廣泛的關注，主要是因為該技術適合短距離、低速率的無線通信。

Zigbee特別適合用來組建無線傳感器網絡，主要優勢是低復雜度、近距離、自組織、低數據速率、低成本、低功耗。它可以應用在煤氣計量、控制室內溫度、自動照明、窗簾打開關閉、家用電器的遙控等方面。

ZigBee協議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網絡層(NWK)、應用層(APL). 所有的服務實體都通過服務接入點SAP為上層提供一個接口，每個SAP都支持一定數量的服務原語來實現所需的功能[1]。應用層包括：應用支持子層APS，應用框架AF，ZigBee設備對象ZDO以及用戶定義應用對象。其MAC層采用避免沖突多載波信道接入CSMA-CA方式，主要負責傳輸信標幀，同步以及提供可信賴的傳輸機制[2]。

2.3 UWB超寬帶協議

UWB無線通信是一種不用載波，而采用時間間隔極短(小于1ns)的脈沖進行通信的方式，也稱做脈沖無線電、無載波通信。在系統方面，它具有性能強，發射信號功率譜密度低，傳輸速率高頻譜利用率高，系統復雜度低系統容量大，發射功率低等特點。在信道方面，它具有對信道衰落不敏感、低截獲能力、帶寬極寬等優點[5]。

Motorola等公司倡導一種為基于窄脈沖的超寬帶技術，Intel公司所倡導類似于正交頻分技術的脈沖化多波超寬帶技術。該協議和標準尚未確定。根據美國FCC的報告，相對帶寬大于20%或總帶寬大于500MHz的系統就是超寬帶系統。實現技術之一直接調制具有很陡上升和下降時間的沖激脈沖，頻域上實現超帶寬。

它的應用范同很廣，主要用于：家庭和個人網絡的無線音頻、數據和視頻分發等；把UWB看作藍牙技術的替代者，可以連接電腦、打印機、無繩電話、PAD以及冰箱、彩電等設備，實現個人信息終端的智能化互聯。

4 結語

智能家居的實現需要現代通信和計算機網絡搭建控制平臺，提升家居安全性、自動控制性、舒適和藝術性，實現個人信息終端和家電設備的智能化互聯。本文重點分析了TCP/IP協議、Zigbee協議、UWB超寬帶協議，它們是搭建網絡平臺和控制系統的核心無線網絡協議。

參考文獻：

[1]杜軍朝.ZigBee技術原理與實戰[M].北京:機械工業出版社,2015(01).

[2]馬菁菁.Zigbee無線通信技術在智能家居中的應用研究[J].武漢理工大學,2007(05).

[3]彭洪明.智能家居的體系結構及關鍵技術研究[J].北京交通大學，2012(06).

[4]謝希仁.計算機網絡[M].電子工業出版社,2004(10).

[5]李明晶.超寬帶技術淺談[J].吉林省經濟管理干部學院學報,2005(10).

作者簡介：楊浩（1983-），男,河南鄭州人，碩士，中級工程師，主要研究方向：通信。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.129