基于無線通信技術的智能家居系統的硬件方案設計

云南中醫學院信息技術學院 楊福華 楊 宏 張喜成 劉妹萍 崔茂應

基于無線通信技術的智能家居系統的硬件方案設計

云南中醫學院信息技術學院 楊福華 楊 宏 張喜成 劉妹萍 崔茂應

本研究針對智能家居市場前景及國內外發展現狀進行了綜述，重點闡述了單片機技術、ZigBee無線通信技術、嵌入式技術及在智能家居系統中發揮的優勢作用。最后對智能家居系統未來發展進行了展望。

無線通信；智能家居；硬件；設計

隨著傳感器技術、RFID射頻技術和嵌入式技術的深入發展，物聯網成為了國內外研究的熱點，掀起了繼計算機、互聯網的信息產業第三大浪潮。物聯網被認為是繼互聯網之后最重大的科技創新之一，它作為全球關注的熱點戰略性新興產業在我國已經上升為國家戰略，被寫入“十二五”規劃[1]。隨著計算機技術與通訊技術的飛速發展，“智能”已經融入到人們的生活中，作用越來越明顯，從智能手機的誕生到現在智能家居的開發，人們越來越注重生活質量，對住宅的要求也越來越高，已不滿足于單純的居住功能，“智能”將會加速改變我們的生活狀態，改變我們的商業思維，改變互聯網產業。在物聯網生活環境下，用戶可以隨時通過職能設備獲取想要的服務。智能家居作為物聯網中的一項新應用領域，成為專家學者、研發機構、公司等的研究熱點，物聯網給智能家居的發展帶來了嶄新的發展機遇[2]。

傳統的家居系統已逐漸跟不上時代的步伐，已不能滿足人們對高品質生活的需求，一批新興的無線傳感器網絡技術給智能家居的發展帶來了新的曙光，追求安全、舒適、方便、智能化的居住環境成為人們向往的家居對象。如何讓人們可以更加便捷，更加隨意的享受自己的家庭生活，讓科技帶來的成果給人們帶來便利，因此，智能家居具有廣泛的發展前景。

1.智能家居的定義

智能家居也被稱之為智能住宅，英文名稱為“Smart Home”。所謂的智能家居是自動化控制技術、現代電子技術及網絡通信技術相結合的產物，通過綜合采用先進的計算機，利用綜合布線技術、網絡通信技術和自動控制技術，依托住宅平臺，建立一個由家庭安全防護、網絡接入和防盜報警燈系統組成的家庭綜合服務與管理集成系統，提升家居安全性、舒適性、便利性，從而實現“以人為本”的全新家居生活體驗[3]。

2.智能家居國內外發展現狀

2.1 智能家居國外發展現狀

國外在很早的時候就有了智能家居的樣本，研究起步較早，技術手段較為成熟。1984年，美國改造的第一幢智能建筑成為世界上最早的智能家居，隨后許多經濟發達的西方國家紛紛提出了各式各樣的智能家居方案。第一幢智能建筑利用計算機技術實現了設備的監控和語音服務。隨后智能家居被許多國家廣泛應用，如韓國、日本、新加波等國家。新加坡推出的表抄送，安全系統寬帶接入，電話接入，控制平臺等智能家居系統較為有名，它的出現給智能家居的研究拓展了思維，設計思想素材得到了豐富積累。IBM公司也曾聯合意法半導體，為了最大程度解決行動不便的人提供便利，推出了通過手勢與語音識別命令的云端智能家居系統[4]。從此，智能家居生活成為了現實，智能家居市場也迅速成熟起來。

根據statista美國智能家居行業的調查數據顯示，2016年智能家居市場廣闊，需求龐大，市場容量穩步增長，美國以97.125億美元的市場容量成為全球最大的智能家居國家。美國智能家居不再滿足功能上的自動化，打造舒適、健康、環保、安全、娛樂為一體的智能理念。

智能家居作為戰略性新興產業，得到了許多知名公司的青睞與關注，許多知名公司也開始大力研發智能家居產品，并且推出了一些功能比較全面的產品，比如 IBM 的“家庭主任”、Motorola 旳“居所之門”、微軟的“夢幻之家”等，給更多的人生活帶來了便利，人們對智能家居產品充滿了期待[5]。

三星公司提出的智能家居解決方案是韓國最具代表性的企業，該系統通過機頂盒和網絡，將家居自動化控制、信息家電、安防設備以及娛樂和信息中心這四部分集成一個全面的、面向寬帶互聯網的家居控制網絡[6]。

西班牙智能家居系統設計與其他國家相比特色鮮明，藝術氛圍濃厚，與眾不同的設計吸引很多國家效仿。它將傳統歐式風格的建筑內進行智能化家居系統的升級改造，充滿了便利、舒適、柔和的藝術氣息。

智能家居在市場上占據了一定的規模， 2015年市場成交量高達485億美元，增速較以前相比趨勢漸緩，但每年仍有80億美元左右的成交量在穩步提升。根據GfK報告表明，未來幾年智能家居將會對人們的生活產生直接的影響。

2.2 智能家居國內研究現狀

智能家居市場隨著我國經濟的快速發展，人民生活水平的不斷提升，在中國的市場具有良好的發展前景。這就導致越來越多的公司，甚至知名企業在市場需求這只無形大手的推動下，開始投入大量的財力和人力來研發智能家居。近年來，人們的生活中逐漸開始接受和使用智能電器和智能軟件。過去國內生產的智能家居產品成本高，拼湊嚴重的標簽慢慢淡化，用戶體驗較過去相比有了大幅度的改善。我國企業自主研發的海爾的U-home家庭和清華同方的ehome數字家園受到了很多用戶的青睞和贊賞[7]。

我國智能化家居起步相對較晚，豪華和高檔的智能化住宅大多以國外成熟產品為主；但隨著普通家居用戶需求的增多，國內一些有實力和產品研究開發較成功的公司也正在逐漸占領一定份額的智能化家居市場，國內智能家居已走過將近20年的發展歷程，根據發展歷程大約分為四個階段：

（1）第一個階段（1994-2000）：這個階段稱為萌芽期，國內并沒有一家專業的研究機構或公司從事智能家居的生產和研發，智能家居在人們的印象中僅僅只是概念產品。智能家居此時在中國是第一個發展階段，此時稱之為智能小區期，國內僅有一兩家國外代理銷售的公司，產品幾乎只是銷售給居住國內的外國人。

（2）第二個階段（2000-2005）：開創期，國內開始注重完善技術培訓體系，開始策劃市場營銷方案，五十多家智能家居自主研發生產企業先后在經濟發達地區成立。此階段，國內沒有進口國外產品。

（3）第三個階段（2006-2010）：與其說徘徊期不如說低迷期，上階段智能家居市場得到了空前的發展，很多企業看到了良好的前景，此時市場出現了不正當競爭，給智能家居帶來了很多負面影響：廠商只顧擴大生產規模，只想迅速占領市場，忽略了后期服務和對代理商的技術培訓，導致代理商經營困難，紛紛開始轉行，用戶對售后滿意度下降，開始摒棄智能產品；過分夸大宣傳功能而實際體驗的過程中無法達到這個效果。越來越多的用戶開始質疑其效果，加之媒體由原來的大肆宣揚變為謹慎，很多代理商開始轉行，市場銷售開始走下坡路，加之國外的智能家居品牌不斷涌入我國市場，國內部分企業開始將目光投向其他市場，許多企業在經過產品改良、縮減規模、人員調整等措施后也存活下來，找到了發展的方向。

（4）第四個階段（2011-2020）：融合演變期，2011年以來，房地產市場勢如破竹，加之政府宏觀調控，發展非常迅速，智能家居市場也逐漸回暖，許多廠商看到了發展前景，加大了技術、資金投入，智能家居由徘徊期進入了新一輪的融合演變期。智能家居市場開始進入到相對穩定的發展階段，為方便用戶使用和后期維護，不同廠商之間的協議與技術標準開始主動互通和融合[8]。

為推動信息化、智能化城市發展，我國政府提出了大力發展寬帶普及、寬帶提速降費，加快推動信息消費持續增長擴大內需的若干意見，這都為智能家居、物聯網行業的發展提供了強有力的保障。

3.基于無線通信技術的智能家居系統的硬件方案設計

3.1 硬件相關

ARM 是英國 ARM 公司提供的一種硬件技術，架構具有極高的性價比和代碼密度，它是存在于互聯網與家庭內部網絡之間的節點，功耗低以及能夠實時中斷響應的優勢讓其在微處理器中更具優勢，更有核心競爭力。ARM 架構目前成為智能家居系統中的首選平臺。本系統無線傳感網絡節點的核心處理芯片選擇了美國TI公司的CC2530芯片。

CC2530 芯片是 TI 公司出品的一款支持 ZigBee 2007 協議的無線射頻單片機，能夠兼容傳統的 51 單片機，是專業的 ZigBee 應用芯片，有三個不同的存儲器訪問總線 SFR、DATA 和 CODE/XDATA。CC2530系統內可允許編程閃存，兼容增強型8051CPU和8-KB RAM具備的功能，二期還吸納了RF 收發器良好性能。 CC2530 芯片的閃存容量為：32KB、64KB、128KB和256KB。CC2530芯片應用靈活方便，接通部門外接電路即可正常工作，且能夠快速的在運行模式下靈活轉換，被廣泛應用于超低功耗限制的系統中[9]。任何中斷指令都可以使閑置的CC2530 芯片恢復到主動模式。應用原理圖如圖1所示。

3.2 協議相關

ZigBee技術具有強大的組網能力，通過無線通信組成網絡，依托一個獨立的工作節點，可以組成星型、樹型、網狀網絡3種拓撲結構，ZigBee 網絡拓撲如圖2所示。

圖1 CC2530應用原理圖

圖2 ZigBee網絡拓撲

星型拓撲結構組網簡單，整個網絡的建立和維護由中心節點ZigBee協調器負責，其他節點直接與中心節點進行通信。

簇狀拓撲結構，網絡的建立和維護由協調器負責，網絡地址中的分配，可以延伸出很多分支和子分支，擴展需要借助ZigBee路由器，協調器與每個節點的通信需經過路由器后才能進行，但協調器不一定直接與網絡中的每個節點進行通信。

網絡拓撲結構比較靈活，節點之間的通信可以尋找最優路徑進行，建立網絡的時候不收網絡形狀限制。

ZigBee是建立在低功耗局域網技術標準IEEE802.15.4協議上。可以嵌入各種設備，它是一種便宜的、低功耗的近距離傳輸的無線網絡協議，PHY和MAC遵循 IEEE802.15.4協議標準，在此基礎上開發了NWK、TL和APL。ZigBee協議結構示意圖如圖3所示[10’11]。

圖3 ZigBee協議結構示意圖

3.3 嵌入式系統

嵌入式系統將軟件固化集成到硬件系統中，軟硬件可裁剪，是一種為特定應用而設計的完全嵌入受控器件內部專用計算機系統。伴隨著互聯網技術的發展，嵌入式技術應運而生，故能夠提供更多的網絡，性能較過去相比更加卓越。軟件代碼小、可靠性高、系統精簡、專用性強、相應速度快等優點得到了越來越廣泛的應用。

嵌入式系統通常用成本很敏感的特定專用設備上，有時對實時響應技術要求很高，且通常用在處理器、存儲器等硬件資源非常有限的設備上。特別是物聯網技術的發展，智能家居的廣泛推廣，嵌入式系統發揮的作用和效果顯現得更加明顯。

源代碼公開，任何人都可以免費下載并且可以根據自己的特殊應用而隨意修改是 Linux 嵌入式操作系統最大的特點，成為了人們較為喜歡的嵌入式操作系統。Linux 操作系統遵循 GPL協議，使得用戶無需要繳納許可證費，還可以在網絡上使用許多源碼開放的應用程序。[12]

uClinux是Lineo公司的主打產品，表示micro-Control-Linux，是針對目標處理器沒有MMU的高度優化的、代碼緊湊、體檢小的嵌入式Linux系統而設計，被成功地移植到很多的平臺上。具備穩定、良好的移植性、支持多款CPU、優秀的網絡功能等優點，是開放源代碼中很受歡迎的操作系統[13]。

3.4 嵌入式網關功能相關

嵌入式網關（中央控制器）作為本設計的核心，具有非常重要的作用，它的設計起到了關鍵性的作用。嵌入式網關的設計需考慮系統的穩定和高可靠性來保證系統具有良好的運行狀態，系統的升級維護、擴展和兼容不容小覷，硬件平臺在設計時還應充分考慮內部資源和外部擴充接口。此外，軟件的設計與操作系統的選擇與硬件平臺的設計有著直接的影響。

嵌入式網關（中央控制器）相當于人的大腦，應具備強大的處理及控制能力，在設計時不僅要用實現ZigBee網絡、因特網、移動網絡三種網絡之間的通信，還可以用來進行本地控制的功能，在處理器外圍需擴展外圍電路及接口，設計的目的用于觸摸屏的數據顯示和本地控制；與4G網絡連接的GPRS無線模塊；用于連接因特網的以太網接口；中央控制器能夠正常工作需要的電源電路、存儲模塊及JTAG接口調試等。

3.5 智能設備控制及命令相關

本系統對中央控制器硬件結構的設計如圖4所示：

圖4 中央控制器硬件結構圖

嵌入式微處理器有ARM、POWER PC、MIPS、和基于X86的386EX。是由通用計算機中的CPU演變而來，價格相對昂貴，除去冗余功能部分，能夠以較低的功耗和資源實現特殊要求的嵌入式應用，性能較高。

電源電壓：通過一個外置的5V電源適配器為中央控制器提供電源，則在核心處理芯片可得到3.3V的I/O 口電壓和1.2V的內核電壓。

ARM嵌入式微處理器現有的技術對時鐘的穩定性、監控電源的可靠性有較高的要求，因為目前是通過提高主頻來實現高的處理速率，通過技術工藝的更新生產尺寸更小的芯片或者降低工作電壓來降低功耗來實現，這就導致嗓聲門限較低，波紋抵抗力和瞬態響應能力都有所減低。

ARM系統常見的調試方式有指令集模擬器、Resident Monitors及JTAG仿真器。目前采用最多的一種方式實施JATG調試方式，基本原理是在器件內部定義一個測試訪問口（TAP），通過監控引腳的信號達到芯片測試目的，還允許多個器件通過接口串聯在一起，形成JATG鏈，實現對各個器件分別測試。

4.總結與展望

隨著人們物質生活水平的快速提高，舒適、便利、環保成為人們追求美好生活充滿了向往。高節奏的生活給人們帶來的壓力也越來越大，提高效率、提供更加優質服務、減少繁瑣家務的智能化家居系統逐漸走入了普通家庭中。智能家居已經顛覆了人們家居的印象，已經展示出了非凡的應用價值，智能家居具有很大的市場空間，但技術和應用都談不上成熟，大規模生產投入市場還尚需時日。目前當前的智能家居市場在經歷“偽需求”、“體驗冗余”、“入口誤區”后，很多企業抓住了商機，加大了投入力度，推動了整個智能家居行業的快速發展，尤其是終端廠商、互聯網公司、視頻網站、運營商智能家居四大陣營，各種商業模式，將智能家居市場炒得風生水起，但與此同時，真正讓消費者買單的產品卻寥寥可數。當智能家居形成了一定行業規范，技術手段成熟，真正能夠將科技成果造福社會、造福人類的時候，才能真正得到消費者的青睞，才能有更加廣闊的市場空間，才能創新引領發展，科技贏得未來。

[1]韋義宏,粟能鑫,謝宗民.淺析無線技術在智能家居中的應用[J].中國科技投資,2013.

[2]王娟.基于ZigBee無線傳感網絡的智能家居系統設計與實現[J].

[3]林旭東.智能家居系統相關技術及發展趨勢[J].科技創新導報,2008(6).

[4]楊棟,張建強,曹鵬,徐國祥.智能家居中體感技術的應用和前景[J].電視技術,2014,21:65-69.

[5]易強.基于3G和ZigBee 的智能家居無線傳感網絡系統設計與實現[D].廣東工業大學,2012.

[6]Bull P,Llinb R,payne R.pervasive Home Environmellts[J].BT Technology Journal.2004,3(22):65-72.

[7]張小紅.基于Android的無線智能家居系統設計與研究[D].電子科技大學,2016.

[8]千家網.2017國內外智能家居發展現狀報告[EB/OL].http://smarthome.ofweek.com/

[9]王利琦.基于ZigBee技術的智能家居系統設計[D].吉林建筑大學,2015.

[10]賴聯有.ZigBee協議分析及其實現.齊齊哈爾大學學報,2010,26(1):47-50.

[11]張奇松.尹航.Z-Stack剖析及其在無線測溫網絡中的應用.計算機系統應用,2009,2(10):103-105

[12]楊卓躍.基于ZigBee的無線智能家居系統設計[D].天津大學,2014.

[13]歐亞軍.基于ZigBee技術的智能家居系統設計與實現[D].湖南大學,2013.

Hardware design of smart home system based on wireless communication technology

Yang Fu-hua，Yang Hong，Zhang Xi-cheng，Liu Mei-ping，Cui Mao-ying
(Yunnan University of Traditional Chinese Medicine，Yunnan Kunming，650500)

The research for the intelligent Home Furnishing market prospects and development situation at home and abroad were made，focusing on and play dominant role in the intelligent Home Furnishing system on chip technology，ZigBee wireless communication technology，embedded technology.Finally，the future development of smart home system is prospected.

Wireless communication；smart home；hardware；design

云南中醫學院2017年度教育科學研究課題（項目號：ZD170204）。

楊福華，男，碩士，助教，研究方向：網絡教育及教育技術應用。

崔茂應，男，副教授，主要研究方向為計算機系統結構。