智能家居發展中的關鍵技術探討

北京工商大學計算機與信息工程學院 李 文 張家輝 魏 彤 羅浩東 尚經開

智能家居發展中的關鍵技術探討

北京工商大學計算機與信息工程學院 李 文 張家輝 魏 彤 羅浩東 尚經開

智能家居是目前研究的熱點，是多學科交叉發展的成果。本文主要介紹了家庭互聯網、無線通信和大數據等關鍵技術在智能家居系統中的作用，以及這些技術在發展過程中的技術規范。以現代高科技為主的智能家居，已經成為社會信息化發展的重要組成部分。

智能家居；互聯網；無線通信；大數據

引言

隨著計算機技術和現代通信技術的快速發展，人類對居住條件的智能化要求越來越迫切，高效、舒適、安全的家居環境需要嵌入式、無線傳感器、互聯網、遠程通信、云計算、大數據等技術的綜合支持。智能家居于1984年由美國聯合科技公司首次提出，我國則從本世紀初以來迅速發展，現代的智能家居通過物聯網技術將家中的各種設備(如音視頻設備、照明系統、窗簾控制、空調控制、安防系統、數字影院系統、影音服務器、影柜系統、網絡家電等)連接到一起，提供家電控制、照明控制、電話遠程控制、室內外遙控、防盜報警、環境監測、暖通控制、紅外轉發以及可編程定時控制等多種功能和手段。

1.家庭互聯網的建立與規范

智能家電終端的物理連接對家庭聯網技術在帶寬性能、QoS保證以及使用便捷上提出了更高的要求，目前在數字家庭組網中常見的互聯技術主要分為有線和無線兩種方式，有線方式包括電話線（HomePNA），以太網（IEEE802.3，802.3u）、串行總線（USB1.1，USB2.0，IEEE1394）等，無線方式包括無線局域網（IEEE802.11a，IEEE802.11b）、家庭射頻（HomeRF）、藍牙（802.15）、紅外（IrDA）等。

智能家居系統的核心技術是家庭網關，可以實現內部網互聯、信息存儲、設備監控、數據計算以及和外部的連接。家庭網關的協議分為5層。第1層（物理媒體）和第2層（底層協議）的標準已經頒布并實行，第3層（應用程序接口）是關鍵技術，也是當前研究熱點，第4層（應用程序）可根據功能的需求開發各種應用程序，第5層是最終用戶接口，包括遙控接口、通用軟件接口等，目前還沒有形成統一標準。

2.無線通信技術

無線通信是指利用電磁波信號進行信息傳播和交換的一種通信方式，主流技術包括Zigbee、GSM、IR、藍牙、Wi-fi等。這些技術的不同點主要體現在調制方式、適用頻段、通信距離和數據率等方面。Wi-fi和藍牙技術都以“短小精悍”在智能應用上而著稱。Wi-fi因開發應用簡單方便，成本低廉，在家庭、公共場所等覆蓋較廣,可以用于很多智能家居設備中，也可以嵌入到其它設備中，是應用最為廣泛的一種通信技術，如醫療監控設備、樓宇控制系統等；藍牙技術一種在可移動設備中應用較廣的無線通信技術，如移動電話、耳機、筆機本、平板電腦等。藍牙技術設備體積小，便于攜帶或移動，成本低廉，目前也可應用于信息家電、嵌入式應用開發等諸多領域。

而Zigbee和Z-Wave技術雖然開發難度比Wi-fi和藍牙技術要大，但在智能家居應用中更為穩定、成熟。Zigbee是智能領域應用最為廣泛的無線通訊技術，可廣泛用于智能家居、智能穿戴、工業控制、農業控制等。目前，Zigbee聯盟在全世界規模要比其他幾種技術聯盟要大得多，成員分布多個領域和行業，如智能家居行業有知名的物聯傳感，電子設備商有華為等；Z-Wave最初是專門應用于智能家居的一種新興的基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網絡的短距離無線通信技術。隨著智能領域的發展，Z-Wave技術設計逐漸可用于住宅、照明商業控制以及狀態讀取應用，例如抄表、照明及家電控制、HVAC、接入控制、防盜及火災檢測等。

2.1 Zigbee技術

ZigBee技術介于無線標記和藍牙之間，主要用于近距離無線連接。依據IEEE802.15.4標準和ZigBee協議，可以在多個微小的傳感器之間相互協調實現通信，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，因此通信效率非常高。一般而言，隨著通信距離的增大，設備的復雜度、功耗以及系統成本都在增加。

ZigBee無線傳感器網絡的典型體系結構包括分布式傳感器節點、路由節點、協調器節點等。協調器節點建立ZigBee網絡后，和其它路由節點一樣，也負責路由和轉發數據，并且維持ZigBee網絡。通過網絡自組織和多跳路由，將數據向協調器節點發送。

2.2 無線射頻技術

無線射頻技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線通信技術。通過高頻的無線頻率（315或433.92，868，915 MHz等）點對點傳輸，實現燈光、窗簾、家電等的遙控功能。這種技術的優點是部分產品無需重新布線，利用點對點的射頻技術，實現對家電和燈光的控制，安裝設置都比較方便，無須預先布線，不會破壞原有家居的美觀。無線射頻技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線通信技術。這種技術的優點是部分產品無需重新布線，利用點對點的射頻技術，實現對家電和燈光的控制，安裝設置都比較方便，主要應用于實現對某些特定電器或燈光的控制，成本適中。這類系統功能比較弱，控制方式比較單一，且易受周圍無線設備環境特別是同頻及阻礙物干擾和屏蔽；較適用于新裝修戶和已裝修戶。

這也就是我們家庭網絡中所提到的有線網絡和無線網絡的區別。無線網絡技術在沒有布線的情況下也可以搭建家庭局域網。而無線射頻技術也就是通過高頻的無線頻率（315或433.92MHz）點對點傳輸，實現燈光、窗簾、家電等的遙控功能。這類技術對于已經裝修好了的用戶非常適用，無須預先布線，不會破壞原有家居的美觀。使用基于無線射頻技術的產品，就可以將家里所有的電器串成一個網絡，我們這里稱它為智能家居無線網絡，在這個網絡中，我們可以隨意遙控，讓每個冷冰冰的電器都聽命于我們。

2.3 Wi-fi技術

Wi-fi是一種可以將個人電腦、手持設備（如PDA、手機）等終端以無線方式互相連接的技術。Wi-fi是一個無線網路通信技術的品牌，由Wi-fi聯盟（Wi-fi Alliance）所持有。目的是改善基于IEEE 802.11標準的無線網路產品之間的互通性。Wi-fi俗稱無線寬帶，是一種短程無線傳輸技術，能夠在數百英尺范圍內支持互聯網接入的無線電信號。隨著技術的發展，以及IEEE 802.11a 及IEEE 802.11g等標準的出現，現在IEEE 802.11 這個標準已被統稱作Wi-fi。從應用層面來說，要使用Wi-fi，用戶首先要有Wi-fi兼容的用戶端裝置。

Wi-fi技術突出的優勢在于：其一，無線電波的覆蓋范圍廣，半徑則可達100米，辦公室自不用說，就是在整棟大樓中也可使用。其二，傳輸速度非常快，可以達到11mbps，符合個人和社會信息化的需求。但在世界范圍內Wi-fi技術卻難以推廣，主要原因是缺乏有效的商業模式使得大型運營商對這一模式不認可。一旦解決了運營商的互聯互通，高收費，漫游性的問題，Wi-fi將來從一個成功的技術轉化為成功的商業。許多家庭使用該項技術，隨著數碼娛樂設備的普及，Wi-fi技術的應用會更廣泛。

3.大數據技術

現在市場上的智能家居產品具有大數據和智能學習系統支撐的很少。在“互聯網+”背景下，大數據在細分市場的應用是重要發展方向。真正的智能化需要通過基于大數據的云計算來實現人工智能，從技術角度來說，任何一款智能家居產品離開大數據和智慧學習系統，都不能稱之為智能家居。首先通過Wi-fi模塊采集用戶數據到云端。可以使用手機、筆記本、平板電腦上的USBor SDIO接口模塊，或是典型的家用路由器，協議和驅動是借助Flash和Ram資源的芯片加Linux操作系統，也可以使用嵌入式Wi-fi模塊，一般是32位單片機，內置Wi-fi驅動和協議，接口為一般的MCU接口如UART等。

另外，智能家居作為大數據的產生者，將會在云計算的支持下，給廣大用戶帶來更多的利益，家居物聯網傳感系統在基于云平臺的智能和遠程控制的基礎上，可為用戶提供一系列基于云平臺的擴展服務，如安防報警、移動醫療、智能停車、公共信息服務等，通過云平臺，還可以將新聞渠道、購物平臺、社交網絡、數據分析等聯系起來。

未來，要想讓智能家居像人一樣擁有生命和智慧，必須為智能家居注入大數據的收集、計算和人工智能的血液。

4.結論

智能家居是現代科技高度發展的產物，也是人類居住環境的必然需求。但是從行業數據分析，由于關鍵技術涉及方面多、技術新、規范化強的特點，需要突破的瓶頸依然很多。但是隨著統一規范和標準、系統功能更加實用、以及成本和維護等方面不斷改進，智能家居依然有很大的發展前景。

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注：本文資助項目：北京市級大學生科學研究與創業行動計劃（項目編號201710011157）。

張家輝（1997—），北京人，本科生，就讀于北京工商大學計算機與信息學院。

李文，山東德州人，博士，副教授，研究方向為電子技術應用。