智能家居系統中的無線傳感器網絡技術研究

鄭州市第一中學 張云豪

智能家居系統中的無線傳感器網絡技術研究

鄭州市第一中學 張云豪

智能家居隨著物聯網的普及受到了國內外的廣泛關注，它能夠將家庭中的各種電子設備進行連接，并進行信息交換，從而達到智能控制家居生活的目的。本文在智能家居的背景下，對其中的無線傳感器網絡技術進行研究；并在此基礎上對其中的短距離無線通信技術進行分析與對比，指出各種無線通信技術的優缺點，并對其在智能家居中的應用提出建議，對其發展前景進行展望。

智能家居；無線傳感器網絡；無線通信技術

一、引言

隨著物聯網的普及，智能家居作為其中的一種重要應用受到人們的關注。物聯網可以看做是能夠進行物物相連的互聯網。傳統的互聯網通常重點關注于人與人之間的溝通，而忽視了人與物以及物與物之間的信息交換，物聯網的出現彌補了這一空缺。 物聯網是將各種傳感設備及系統（如房間的溫度、濕度信息等）通過短距離的通信技術與互聯網相連接，從而將各個地方的信息進行匯總并進行相應的處理。也就是說，物聯網是互聯網在物理方面上的擴展，它通過各種通信感知技術將信息進行傳遞與融合。

智能家居系統是以人們居住的住宅作為平臺，將家中的各個設備連接到一起，并通過設備之間的有效配合實現家庭生活的自動化管理。智能家居不僅僅能夠將家庭內部的設備進行有效的連接，也能夠通過家庭網關將得到的信息與Internet相連，從而與家庭外部的設備進行相互交流。智能家居系統由許多子系統組成，包括控制系統、網絡通信系統等，其中網絡通信系統是將家居中各種設備以及設備與外部進行連接的關鍵，是智能家居中的關鍵子系統。隨著技術的發展以及人們需求的增多，目前的網絡通信技術正在逐漸向無線高速數據傳輸的方向發展，從而有效的解決海量數據的傳輸問題[1]。

二、智能家居的系統結構

目前智能家居已經受到人們的關注，而大量的智能家居產品也隨之產生，逐漸滲入人們的生活。目前室內安裝的智能家居產品通常由控制節點以及終端設備兩部分組成。其中終端設備就是直接能夠用來服務用戶、與用戶進行交互的產品，例如電視等；而控制節點則用來對終端設備進行控制，使其產生能夠滿足用戶需求的反應，例如機頂盒等。其中，控制通信通常可分為兩部分，分別是與終端設備進行通信以及與上層的互聯網進行通信，因此對于設備的控制命令可在室內發出，也可在室外通過Internet 等遠程控制方式發送到相應設備中。

在傳統智能家居系統中各種應用系統內部可以實現信息的傳遞， 而未來的智能家居需要各個設備之間進行有效的連接，因此需要進行大量的信息傳輸，傳統的信息傳輸采用的都是有線的方式，缺點有兩方面，一是需要布線，安裝復雜；二是當系統中的設備數目不斷增多時，所需要的傳輸線數目也隨之增多，從而導致成本變高。因此，傳統的有線數據傳輸已經無法滿足要求，無線傳感器網絡興起。

三、無線傳感器網絡技術

無線傳感器網絡技術主要由傳感器技術、無線通信技術、遠程控制技術構成。無線傳感器網絡由多個傳感器協調配合，以獲得大量的信息，通過無線傳輸協議對這些信息進行無線傳輸，最終進行相應的處理，其結構通常包括傳感器節點、匯聚節點以及終端設備三大部分[2]。

傳感器節點分布于網絡的各個部分，用于收集數據，并且將數據傳送到相應的匯聚節點中。通常由于傳感器節點要隨機的布置在面積很大的檢測區域中，不能始終保持在充電的狀態，而匯聚節點由于所處位置固定，可以隨時補充能量。因此，目前大部分的信息處理工作都是在匯聚節點中進行的。匯聚節點將傳感器檢測到的信息進行收集和處理之后，可以通過常用的Internet網絡或者衛星網絡傳輸到終端設備，并進行后續的處理工作。

1.傳感器技術

傳感器能夠檢測到對應的信息，并且將該信息轉化為電信號或者其它容易測量的信號進行輸出。通過傳感器能夠快速準確的獲得需要的信息，它有時甚至比人的感官更加靈敏。在智能家居系統中，需要用到大量的信息，如環境的溫度、濕度、有害氣體濃度等，而傳感器可以檢測到這些信息，并將這些信息轉化為電信號。最后通過模數轉換電路將這些模擬的電信號轉化為數字信號傳遞到計算機中進行進一步的處理，從而實現對家用電器等設備的控制。

2.遠程控制技術

遠程控制技術就是利用一臺終端（如電腦、手機等）遠距離控制另一臺終端的技術，在智能家居系統中通常采用互聯網方式，其具有強大的網絡功能，通過電腦或手機等終端能夠連接到家庭網關中，而家中各個設備的信息可以通過通信技術與家庭網關相連，最終實現了終端與設備之間的連接，從而進行信息獲取以及遠程的控制[3]。

3.無線通信技術

在智能家居系統的家庭內部網絡中，通過家庭網關交互的信息主要分為控制信息和數據信息兩大類。控制信息指的是對于某些設備的控制信號，例如電燈的開關、窗簾的開合等，由于需要傳送的信息較簡單，因此對信號的傳輸速率要求較低，但是它要求傳輸信息的可靠性較高。而數據信息主要指的是一些多媒體信息，如圖像、視頻等，由于此時傳輸的信息較為復雜，因此與控制信息相比，它對信息的傳輸速率要求高，而在傳輸的可靠性上并沒有那么高。無線通信技術目前在各個方面已經有了很多應用，而在智能家居中，所用的無線通信距離不需要太長，因此接下來對常見的短距離無線通信技術進行比較與分析。1）紅外通信技術利用紅外線來進行無線傳輸，目前其信息傳送速率可達到16Mbps[4]。由于紅外線具有直射的性質，因此當兩設備之間不存在遮擋時，能夠達到較好的通信效果，但是當兩設備之間存在障礙時，則無法進行正常的信息傳輸。紅外通信技術能夠進行通信的距離通常較短，只有1m左右。因此它具有成本低、抗干擾能力強等優點，但同時也存在通信距離段以及對于遮擋物的要求較高等缺點，智能家居中僅用該技術無法滿足信息傳輸的要求，但是可以用其進行一些家電（如電視、電腦等）的控制。2）藍牙能夠進行一對一或者一對多的設備通信，其中，1個主設備最多能夠與7個子設備通過藍牙進行信息傳遞，目前它的傳輸速率可達到30Mbps，它在一定程度上克服了紅外通信技術無法滿足的障礙物遮擋問題，當設備之間存在一定的障礙物時，仍可以進行信息交流，但是它的成本較高并且功耗大，因此在智能家居中智能用于部分設備的通信。3）Zigbee技術是在藍牙技術上的發展，一個主設備中可以連接255個設備，組網規模較大，能夠支持大量智能家居中各種設備的接入。Zigbee技術的工作頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）、915MHz（美國），其中在2.4GHz頻段的通信速率為10～250kbit/s，通信距離在10～100米[5]。由于Zigbee功耗低、可靠性較強等優點，適合用于智能家居，同時由于其通信速率的限制，可以進行控制信息的發送與傳輸。4）Wi-Fi是一種允許電子設備連接到一個無線局域網的技術，連接到無線局域網通常是有密碼保護的，但也可是開放的，這樣就允許任何在WLAN范圍內的設備可以連接上。雖然Wi-Fi技術的通信質量較差，但傳輸速度高達54Mbps，由于其通信速率的優勢，適合用于智能家居中數據信息的傳輸。對以上四種短距離的無線通信技術進行對比分析可以得出，在智能家居方面控制信息適合采用Zigbee技術；而對于數據信息，由于數據量較大適合采用Wi-Fi方式進行傳輸。因此，對于一般家庭用戶，由于對信息安全要求不是特別高，可采用wif技術；對于數據質量、信息安全要求較高的用戶可采用基于多種通信技術融合的方式。

四、結束語

隨著物聯網的快速發展，智能家居已經逐漸成為現實。由于在智能家居中將多個設備進行互聯，因此需要進行海量的數據傳輸。在此基礎上，無線傳感器網絡技術得到迅猛的發展，其中無線通信技術是重要的組成部分。本文對常用的短距離無線通信技術進行了研究及對比，總結了它們的優點及缺點，并以此為基礎討論了其在智能家居中的應用。在使用過程中，如何融合不同的通信技術，增強無線傳送信號的傳輸速率、安全性以及穩定性是未來應用中的主要研究內容。

[1]徐東方,胡仁杰．基于無線網絡的職能節點設計[J],電氣時代．

[2]王園,劉寶霞．基于無線傳感器網絡的智能家居安防系統探討[J]．科技創新與應用,2016,(20):46．

[3]包衣勤．基于物聯網技術的智能家居系統的研究與探討[J]．物聯網技術,2013,(7):38-41．

[4]文俊峰,張文愛,王成等．多接口數據通訊模塊的研究與設計[J]．微計算機信息,2007(11):143-145．

[5]潘偉,黃東．基于Zigbee技術的無線傳感網絡研究[J]．計算機技術與發展,2008,18(9):244-247．