智能家居通信技術研究綜述

茅天陽+趙亮

摘 要：文中分有線和無線傳輸方式對智能家居中的通信技術進行了綜述。有線傳輸方式包括電力載波通信、以太網、RS-485總線等，無線傳輸方式包括ZigBee、WiFi、GSM/GPRS、無線射頻技術等。此外，對各種傳輸技術的優缺點進行了比較，指出了智能家居通信技術的發展方向，認為無線傳輸方式將會是未來發展的重點。

關鍵詞：智能家居；電力載波；RS-485；ZigBee；WiFi；GSM/GPRS

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

智能家居是一種居住環境，其基礎是住宅，其目的是構建高效的住宅與家庭日程管理系統，其手段是利用網絡、布線、音頻、自控、安全等一系列技術將家居生活有關的設施集成。

作為一個新興產業，智能家居還未真正進入成長期，市場消費觀念還未形成，但隨著智能家居市場推廣普及的進一步落實，在消費者的觀念形成后，智能家居市場未來擁有無窮潛力，產業前途無量。正因為如此，越來越多的智能家居生產企業開始投入對行業市場的研究，特別是對企業成長環境和消費者需求變化的深入研究。隨著科學技術日新月異的發展，數據通信技術迅速向智能家居滲透。居住環境信息獲取和傳輸技術需要運用適宜的現代通訊手段來實現。按通信技術傳輸介質的不同可分為有線和無線兩種方式。有線通信方式具有系統可靠性高、抗干擾能力強等優點。但傳感器與執行機構數量多且分散，導致布線復雜、維護困難。無線通信以組網靈活、無需布線等優點在智能家居中逐漸興起。智能家居中常見的有線方式有電力載波和以太網等，無線方式則包括ZigBee、WiFi、GSM/GPRS、無線射頻技術等，本文對這些通信技術在智能家居領域中的應用進行了綜述。

1 有線通信方式

有線通信方式具有穩定、安全和高速等優點，但存在設備移動性差和布線繁瑣、布線成本高等不足。常用的有線通信方式有電力載波和以太網等。

1.1 電力載波通信

電力線載波（Power Line Carrier，PLC）是電力系統特有的通信方式，電力線載波通訊是指利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術。其最大特點是不需要重新架設網絡，只要有電線就能進行數據傳遞。

馬樂等（2013）[1]設計了基于物聯網體系的智能家居系統，以Internet和GSM為遠程控制基礎，以RF無線射頻技術為近程控制手段，以PLC為通訊總線，解決家庭內部點對點高速多媒體數據傳輸的問題。羅玉平等（2014）[2]設計了基于電力線載波通信的智能家居控制系統，系統以STM32主控制器為核心，內嵌Web服務器，結合GPRS網絡、電力載波通信技術以及傳感器技術可實現遠程智能控制。宣航（2015）[3]開發了基于物聯網的智能家居監控系統，該系統基于電力線載波通信技術，以TOP6410開發板為核心，以OFDM調制技術為基礎構建了智能家居系統的硬件體系結構和軟件平臺。

1.2 以太網

以太網（Ethernet）首次由羅伯特·梅特卡夫和施樂公司帕洛阿爾托研究中心的同事研制，如今已成為最流行的通信協議標準。以太網可以分為標準以太網、快速以太網、千兆以太網以及萬兆以太網。

南春輝等（2013）[4]設計了基于Web技術的嵌入式智能家居系統，通過構建Web服務器對家居設備的工作狀態進行記錄和控制，內部家居通過以太網相連，以Socket協議與服務器通信。陳瑋等（2015）[5]設計了基于Andriod平臺的智能家居系統，將云計算中心與路由器用以太網連接，使用內外網通信方式，當家庭寬帶不可用時仍能通過內網實現對家居設備的控制。侯維巖等（2015）[6]設計并實現了智能家居網關及其Web控制軟件，提出了一種能夠同時兼容ZigBee、Bluetooth和以太網，并能方便操作的B/S智能家居控制系統。

1.3 RS-485總線

RS-485是串行數據接口標準，1983年在RS-422基礎上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發送器連接到同一條總線上，同時增加了發送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標準。

陶莉等（2007）[7]設計了基于RS-485總線的智能家居系統，采用RS-485總線的主從網絡實現了以PC機為家庭網關的基于RS-485總線的智能家居系統。徐鋒等（2009）[8]設計了智能家居遠程控制系統，以ARMLPC2364為核心，由MAX3088構成RS-485接口，不僅可以節省開支，其省電節耗效果也十分明顯。劉璟（2010）[9]設計了基于PXA270-Linux的智能家居系統，通過運用RS-485總線接入各種傳感器模塊的思想，實現了家居安全報警、家用電器及照明系統遠程控制。張小貝等（2012）[10]設計了基于嵌入式控制和RS-485的智能家居系統，具有良好的應用性。張玲（2014）[11]設計了基于STM32的智能家居系統，各智能產品通過RS-485總線方式和控制器通訊，具有控制方式多樣靈活、模塊功能可擴展性強、設備操作簡單易行等優點。

RS-485接口具有良好的抗干擾性，按其接口組成的半雙工網絡一般只需兩根連線，長的傳輸距離和多站能力等使其成為首選的串行接口，但RS-485總線的主從和半雙工工作方式難以實現各節點之間的數據交換，且存在效率低、實時性差等問題。

2 無線通信方式

與有線通信方式相比，無線通信網絡是一種以數據為中心的自組織無線網絡，具有可快速臨時組網、拓撲結構可動態變化、抗毀性強、無需架設網絡基礎設施等優點。常用的無線通信方式有ZigBee、WiFi、GSM/GPRS、無線射頻技術等。

2.1 ZigBee技術

ZigBee類似于藍牙，是一種新生的短距離通信技術。與藍牙高昂的價格，組網復雜等特點不同，ZigBee成本低、功耗低，且組網方便，因此許多廠商都對其感興趣。ZigBee遵循IEEE 802.15.4標準，工作在204 GHz的頻段上。

運用這種技術將智能家居中的各種電子設備組成一個無線傳感網絡，從而快捷方便地對居住環境參數進行自動監測，意義重大。辛海亮等（2013）[12]設計了一種基于ZigBee的物聯網智能家居控制系統的總體方案，以Linux系統為核心，以ZigBee無線通信技術進行信號傳輸并以GPRS通信技術進行系統遠程監控。高鵬等（2014）[13]設計了基于ARM和ZigBee的智能家居監控網絡，在家庭內部通過基于德州儀器CC2530無線收發芯片的ZigBee無線網絡將家用電器與其他監控設備連接在一起組成無線家庭網絡。龐泳等（2014）[14]設計了基于ZigBee的智能家居改進系統，通過改進的MAC協議與ZigBee數據幀結合，對網內不同數據類型采取針對性處理措施，使系統具有較低的功耗和較高的安全性。季建華（2015）[15]設計并實現了基于物聯網的智能家居遠程監控系統，同時又以JN5139芯片為核心設計了各ZigBee終端節點，采用星型網絡實現ZigBee無線組網。Chatura等（2016）[16]基于ZigBee設計了低復雜度展頻智能家居網絡體系，提升了共存能力，增強了多徑衰落影響下的魯棒性。Raafat等（2016）[17]基于ZigBee面向殘疾人設計了可配置的智能家居控制系統，結果表明，該系統可為殘疾人提供更好、更便捷的生活方式。孫正鳳等（2016）[18]設計了基于改進ZigBee路由算法的智能家居控制系統，仿真表明，當節點數越多，改進的算法可減少30%的能耗，并且隨時間的增長，死亡節點數將降低10%，有效均衡了網絡負載。

應用ZigBee技術可通過無線傳輸方式實現每個節點家居環境控制器與管控計算機的組網及靈活的網絡數據傳輸，提高了智能家居系統的靈活性和可靠性，并大幅降低了成本。

2.2 無線WiFi技術

WiFi （Wireless Fidelity）網絡符合IEEE/802.11b協議，由AP（Access Point）和無線網卡組成，組網方式較為簡單，具有無線接入、高速傳輸以及傳輸距離遠等優點。

董思喬等（2015）[19]設計了基于WiFi構建的智能家居控制系統，采用PC機和智能手機作為基本硬件平臺，輔以WiFi插座和WiFi智能傳感器來實現智能家居控制系統。應聞達等（2015）[20]提出了家庭網絡中智能家居設備無限快速連接技術，經測試，無線連接所需時間為10～20 s，連接成功率幾乎為100%，明顯優于基于多播或廣播的WiFi一鍵配置技術。喬季軍等（2015）[21]設計了融合ZigBee和WiFi無線技術的智能家居系統，研究了采集數據的程序開發、單片機系統的底層編程和數據傳輸校驗等軟件程序。Wang等（2016）[22]設計并實現了基于iOS的智能家居聲控系統，手機通過路由器的WiFi信號向終端發送指令。賈陽靜等（2016）[23]設計了基于Android和WiFi通信的智能家居系統，采用具有Android操作系統的智能手機或平板電腦作為家居控制終端，通過無線路由器搭建智能家居系統平臺。

智能家居充分利用現有普及的WiFi網絡資源，極大地擴展了信號的覆蓋面積，組網成本大大下降，加之其固有的傳輸速度快的優點，在消費者中具有較大普及潛力。

2.3 GPRS/GSM通信技術

GPRS（通用分組無線服務）是一種收費的數據承載業務，屬于第二代移動通信中的數據傳輸技術，其傳輸距離遠、穩定性較好、傳輸速度快，一般用于遠距離實時通信。

Zhang等（2013）[24]設計了由SMS控制的智能家居系統，通過手機短信發送一系列指令，實現遠程監控家居系統。劉練等（2014）[25]設計并實現了基于App的智能家居環境監測系統，傳感器將污染氣體及PM2.5濃度信息通過GPRS傳送到后臺服務器。武一等（2014）[26]設計了基于GSM和ZigBee技術的智能家居系統，通過GSM網絡實現用戶手機對智能家居的遠程監控。實驗表明，該系統具有功耗低、可靠性高、易擴展、使用方便等優點。曹夢龍等（2014）[27]設計并實現了基于Internet和GSM的智能家居網關，系統重要的報警信息可以通過手機模組以短信的形式及時發送至用戶的手機上。R.Gnanavel等（2016）[28]針對老年人設計了無線傳感網絡智能家居系統，其中，GSM用于緊急情況下向就近醫院發送短信。

GPRS/GSM通信方式適合遠距離且不具備有線網絡情況下的數據傳輸，采用包交換的優點是在有效數據需要傳送時才會占用頻寬，還可以以傳輸的數據量計價，對用戶而言，這是比較合理的計費方式。

2.4 RF無線射頻技術

無線射頻是20世紀90年代興起的一種非接觸式自動識別技術，其識別系統主要由電子標簽、讀卡器、上位機組成，通過射頻信號識別標簽并獲取信息。

劉杰等（2012）[29]實現了利用433 MHz射頻通信技術的智能家居系統，測試結果表明，使用433 MHz射頻技術可以很好地解決傳輸能力和頻帶資源分配問題。曾艷等（2014）[30]設計并實現了智能家居RF通信模塊的問題，測試表明，該無線通信模塊能夠滿足低成本、低功耗和遠距離無線傳輸的要求。曾明如等（2015）[31]設計了基于ARM和nRF905組網的智能家居系統，系統對射頻數據傳輸協議進行了設計，給出了室內多個微控制器的組網方案，萬能遙控器通過射頻信號實現對家電的近距離控制。曾明如等（2015）[32]設計了基于ARM和RF無線技術的智能家居系統，控制信息以射頻信號的形式發送到無線通訊節點或智能插座，試驗結果表明，各家電能夠響應相應的控制要求。葛陽等（2015）[33]設計并實現了智能家居433 MHz射頻通信協議棧，并詳細討論了協議棧的工作原理。

3 常用通信技術比較

上述7種作為智能家居系統常用的通信方式各有特點，在不同的應用場景可以發揮各自優勢，揚長避短，也可以將這7種通信方式進行組合，實現高效、遠程傳輸的目的。常見的是將適合近距離的通信方式和適合遠距離傳輸的GPRS/GSM相結合。

有線通信具有高可靠性、速度快、穩定性高等優點。但布線繁瑣、成本較高。無線通信方式具有設備移動性好，不需或只需少量布線的優點，但存在易受環境影響和延遲較大的不足。

從發展角度看，無線通信將是智能家居系統重要的研究方向。各種通信方式的性能比較見表1所列。

4 結 語

本文介紹了幾種智能家居系統信息傳輸方式，包括有線及無線傳輸方式，比較了他們的優缺點，并提出了未來發展的趨勢。信息傳輸是智能家居系統不可缺少的組成部分，合理選擇信息傳輸方式對整個智能家居系統起著重要作用。隨著網絡技術和通信技術的發展，各種技術相互結合，發揮各自優勢。結合后的數據傳輸技術可實現優勢互補，既能充分發揮各種技術的突出優勢，又能最大程度發揮整體效應。無線網絡是未來的發展重點。

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