基于家庭基站智能家居系統的設計與實現

劉功民

摘 要：開展基于家庭基站的個人增值應用以增加其附加值和對用戶的吸引力，成為家庭基站產品規模商用的有效和必經途徑。文章提出的基于家庭基站的智能家居系統，依托家庭基站和ZigBee技術組建家庭內部網絡，采用家庭基站作為其外部通信鏈路，通過普通的移動終端設備實現遠程接入和控制。

關鍵詞：家庭基站；ZigBee；智能家居；遠程控制；用戶管理系統

近年，飛蜂窩（又叫家庭基站）以其低功耗、高吞吐率以及通過有線寬帶網絡回程等優勢被廣泛接納，在寬帶移動通信領域，已成為解決室內深度覆蓋的首選技術[1]。本文結合目前發展迅猛的智能家居，提出基于家庭基站智能家居系統基于家庭基站的智能家居系統（Femtocell-based SmartHome System，FSHS）的構建框架并給出具體的設計與實現方案。

1 FSHS系統架構

FSHS總體架構如圖1所示，包括ZigBee域、家庭基站接入點（Femto Access Point.FAP）域、遠程通信域和用戶控制域等4個部分，其中ZigBee域和FAP域同屬家庭內部網絡[2]。

ZigBee域基于ZigBee技術組網，主要進行燈光、家電的控制及其能耗管理，同時還負責電表、水表和煤氣表的數據采集；FAP域基于家庭基站技術組網，實現遠程醫護和家庭安保中的數據采集和視頻監控功能，同時失火、非法侵入等災情的數據采集、處理和響應也承載在該域。從家庭內部網絡的角度看，FAP同時兼具家庭網關[3]的功能，即用戶終端的所有訪問和控制均需通過FAP。在用戶控制域，當用戶處于家庭區域之外時，不管是靜止狀態還是移動狀態，都可以依托遠程通信域，通過手持移動設備實現遠程訪問和控制；當用戶處于家庭內部區域時，仍然通過相同的手持移動設備進行訪問和控制，所不同的是此時無需跨域依托移動核心網和Internet的遠程通信域，而是直接與FAP進行通信。

2 FSHS各部分的功能與實現

2.1 ZigBee域

FSHS系統中，ZigBee域由一個ZigBee主節點和多個ZigBee從點組成。主節點即網絡協調器，在實現域內網絡管理與協調的同時，通過RS232或RS485等串行接口或者基于IEEE 802.3的以太網接口、甚至是通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）接口等上聯到FAP，為省卻布線，FSHS系統中的主節點配備GPRS接口。從節點包括網絡路由器和網絡終端設備，具體的設備實體包括數據傳輸節點、無線傳感節點、燈光和家電控制節點等類型。數據傳輸節點提供單跳范圍之外的從節點與主節點之間的中繼；無線傳感節點主要實現如溫度、濕度、亮度等環境數據以及如人體體溫、血壓等生理機能數據的采集與轉換并上報到主節點；燈光和家電控制節點接收來自上層的指令，轉換成被控對象能識別的數據格式與信號形式如紅外線（Infra Red，IR）發送到被控對象，同時采集被控對象的狀態數據上報到網絡上層供其決策。關于ZigBee各節點的軟硬件設計與實現，大量文獻甚至工業領域已有較好的解決方案[3]，本文所提出的FSHS系統，通過調整FAP到ZigBee主節點的下聯接口即可無損地兼容現有各種基于ZigBee的家庭內部網絡。

2.2 FAP域

FSHS系統中典型FAP的結構，除了主控制單元（MainControl Unit，MCU）及與其配套的同步動態隨機存儲器（Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM）和Flash Memory之外，包括各射頻集成電路（Radio Frequency Integrated Circuit，RFIC）、家庭網絡路由器（Home Network Router， HNR）等在內的其余模塊都是傳統FAP的功能模塊，在FSHS系統中，沒有改動其硬件，限于篇幅不做闡述。

MCU是FAP中實現FSHS系統功能的核心部件，所有傳感器和攝像頭所采集信息的處理、災情與險情的判決及報警機制觸發均在該模塊實現；同時，來自用戶控制終端的接入與訪問、各種控制指令、狀態查詢指令執行等也需要該模塊的參與。

2.3用戶控制域

用戶控制域中的設備就是手機、個人數字助理（ PersonalDigital Assistant，PDA）等各種用戶移動終端設備，鑒于它們的高智能性和高處理能力，加載相關的應用程序即可滿足FSHS的需求。類似于無線應用協議（Wireless ApplicationProtocol，WAP），用戶一旦啟動該應用程序，在遠程通信域和FAP（本地時只需FAP）的協作下，根據用戶移動設備的號碼即刻完成身份鑒權和認證而無需輸入訪問接入碼之類的身份信息。基于此思路構建的應用程序稱之為FSHS中的用戶端管理系統（FSHS Management System for User，FMS-U）。

FMS-U完全依附在用戶移動終端設備的硬件平臺上，通過所開發的各種接口模塊調用終端設備相應通信功能實現。FMS-U由系統配置界面、管理控制界面、底層接口模塊和后臺處理模塊4個部分組成。

2.4遠程通信域

由圖l可知，遠程通信域由Internet、移動核心網和移動宏基站或家庭基站等組成，只有當用戶遠程控制時才會用到，此時遠程通信域對用戶終端的各種查詢和控制指令、家居狀態信息以及視頻數據都進行透明傳輸，限于篇幅不再贅述。

3結語

用戶對家居信息化、智能化的需求，手機、PDA等移動通信終端設備的高普及率，使FSHS具備了廣泛的用戶接納基礎；能無損兼容現有基于ZigBee、GPRS以及無線攝像頭等產品，使FSHS的技術優勢更加明顯；FSHS的推廣和應用，使電信運營商的業務得到了的拓展和延伸，將進一步鞏固其市場占有率和企業競爭力。因此，基于家庭基站的智能家居系統FSHS，從用戶接納、技術優勢到市場運營均有較強的可行性。

[參考文獻]

[I]VIKRAM C. JEFFREY G. ANDREW S.Femtocell networks： a survey[J] .IEEE Communications Magazine . 2008 （ 9） ： 59-67.

[2lCARLES G. JOSEP P.Wireless home automation networks： a survey of architectures and technologies[Jl.IEEE Communications Magazine， 2010 （6） ： 92-101.

[3lZUALKERNAN I A. AL-ALI A R. JABBAR M A. et al.lnfoPods： Zigbee-based remote information monitoring devices for smart- homes[J] .IEEE Trans actions on Consumer Electron. 2009 （ 3 ） ： 1221-1226.