無線網(wǎng)絡(luò)在智能家居中的應(yīng)用

盧 鵬

廣州城建職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510925

1 無線網(wǎng)路與智能家居

智能家居是指將家居內(nèi)部的各種家電設(shè)備、安防報警裝置、家庭娛樂設(shè)置等通過智能控制系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)連接起來。在智能家居系統(tǒng)中，各種家居設(shè)備與控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)相互協(xié)作、遠(yuǎn)程控制的功能。與普通家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比，智能家居能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、接入外網(wǎng)遠(yuǎn)程控制、家庭自動化、家庭娛樂、信息管理和家庭事務(wù)管理等功能。智能家居系統(tǒng)能增強(qiáng)家庭的防盜安全和消防安全，能幫助人們綜合利用時間，能提高人們家居生活的舒適性，還可以減少能源和資金的浪費(fèi)，智能家居與家庭網(wǎng)絡(luò)離不開，傳統(tǒng)的智能家居網(wǎng)絡(luò)布線方式是有線網(wǎng)絡(luò)，但由于布線方式不方便，影響美觀的原因，無線網(wǎng)絡(luò)成了我們智能家居的必然趨勢。

無線網(wǎng)絡(luò)無需布線不會影響室內(nèi)美觀，節(jié)約了綜合布的這方面的人力和物力，且組網(wǎng)靈活、快速等特點(diǎn)，非常適合家居網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的要求。智能家居系統(tǒng)中，無線網(wǎng)絡(luò)使用己成為一種趨勢，各種新的無線局域網(wǎng)協(xié)議不斷研究出現(xiàn)，近年來所涌現(xiàn)的主要技術(shù)有802.11 系列無線局域網(wǎng)協(xié)議、Adhod、家庭射頻（HomeRF）標(biāo)準(zhǔn)、無線藍(lán)牙以及ZigBee等。

2 無線智能家居的系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

2.1 無線智能家居網(wǎng)絡(luò)的層次結(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)依據(jù)他所實(shí)現(xiàn)的不同功能可以劃分為感應(yīng)層、信號網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用軟件層三個層次。感應(yīng)層是智能家居網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，包括安裝了無線通信模塊的電器設(shè)備，影音娛樂設(shè)備，溫濕度傳感器，紅外傳感器，照明設(shè)備和安防設(shè)備等。信號網(wǎng)絡(luò)層是智能家居的互聯(lián)設(shè)備，包括家庭內(nèi)網(wǎng)和接入到Internet的外網(wǎng)。連接Internet 外網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)主要有GPRS網(wǎng)絡(luò)（2G）、CDMA網(wǎng)絡(luò)（3G）、LTE網(wǎng)絡(luò)（4G），家庭內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)主要有有線以太局域網(wǎng)、WIFI無線局域網(wǎng)、ZigBee等。網(wǎng)絡(luò)層連接一臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和一臺Web站點(diǎn)服務(wù)器。家庭數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；Web站點(diǎn)服務(wù)器通過訪問上述數(shù)據(jù)庫服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)將信息，并通過Web站點(diǎn)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，互聯(lián)網(wǎng)上的用戶可能過WEB平臺進(jìn)行訪問智能家居內(nèi)網(wǎng)的情況。應(yīng)用軟件層包括了訪問WEB瀏覽器的終端上的使用的各種應(yīng)用軟件，比加各種測控軟件、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)軟件、應(yīng)用程序等。

2.2 無線智能家居網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

無線智能家居網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由內(nèi)外和外網(wǎng)構(gòu)成，外網(wǎng)即Internet網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)網(wǎng)即家庭網(wǎng)絡(luò)。

智能網(wǎng)關(guān)是智能家居系統(tǒng)的核心控制部件，是網(wǎng)關(guān)與外網(wǎng)的通信交通通道，它嵌入了網(wǎng)頁訪問服務(wù)器和家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)通過它實(shí)現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。智能網(wǎng)關(guān)通過元線內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與家庭網(wǎng)絡(luò)終端相互通信，外網(wǎng)用戶可通過Internet訪問Web服務(wù)器界面的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)對內(nèi)網(wǎng)的監(jiān)視與控制。拓?fù)鋱D如圖1所示。

3 智能家居無線網(wǎng)絡(luò)常用技術(shù)

智能家居系統(tǒng)中，無線組網(wǎng)技術(shù)主要包括GPRS/GSM，Wi-Fi802.11、UWB、藍(lán)牙（BlueTooth）和ZigBee等技術(shù)。GPRS主要應(yīng)用在寬廣地區(qū)的間頻和數(shù)據(jù)，覆蓋范圍廣，適合遠(yuǎn)距離傳輸。802.11系列協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)有802.11a、802.11b、802.11g、802.11n等。這幾種不同的無線協(xié)議、都是由802.11演變而來的。802.11是IEEE最初制定的一個無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶與用戶終端的無線接入、802.11a工作在5.4G頻段、最高速率54兆、主要用在遠(yuǎn)距離的無線連接、802.11b工作在2.4G頻段、最高速率11兆、逐步被淘汰、802.11g工作在2.4G頻段、最高速率54兆、802.11n最新無線標(biāo)準(zhǔn)、目前還不成熟、最高速率能到300兆，網(wǎng)絡(luò)的組建模能達(dá)到32個節(jié)點(diǎn)甚至更高。藍(lán)牙以通訊距離來在不同版本可再分為 Class A(1)/Class B(2)。Class B 是目前最流行的制式，通訊距離大約在 8m～30m之間，視產(chǎn)品的設(shè)計而定，耗電量和體積較細(xì)，方便攜帶是家庭設(shè)備到家庭網(wǎng)關(guān)之間無線接入非常有競爭力的標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee技術(shù)是近年來發(fā)展的一種無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，底層是采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體存取層與實(shí)體層。在藍(lán)牙技術(shù)的使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)盡管有許多優(yōu)點(diǎn)，但仍存在許多缺陷。對家庭自動化控制而言，藍(lán)牙技術(shù)顯得太復(fù)雜，功耗大，距離近，組網(wǎng)規(guī)模太小等，自動化的控制需要實(shí)時的，可靠性高，而藍(lán)牙技術(shù)較能做到這一點(diǎn)，因此，經(jīng)過人們長期努力，ZigBee協(xié)議在2003年正式問世。ZigBee的容量很大，網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？蛇_(dá)65536個，傳輸距離能達(dá)到1000m，帶寬可達(dá)250KB。

4 ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

ZigBee是一個低功耗的局域網(wǎng)協(xié)議，基于IEEE802.15.4。這個名稱來源來于蜜蜂的飛行八字舞，蜜蜂靠“嗡嗡”地抖動翅膀向同伴傳遞花所在的方位信息。

ZigBee就是依據(jù)蜜蜂飛行路徑的這個特征來開發(fā)的局域網(wǎng)協(xié)議。這種協(xié)議的特點(diǎn)是距離短，復(fù)雜度低、功耗低、傳輸率低。主要適用于自動和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可嵌套入各種設(shè)備。基于這一協(xié)議的諸多優(yōu)點(diǎn)。ZigBee近年來被廣泛應(yīng)用于智能家居等系統(tǒng)中。

在IEEE802.15中定義了兩種設(shè)備:簡化功能設(shè)備（RFD）和全功能設(shè)備（FFD）。在通信能力上，RFD只能與其關(guān)聯(lián)的FFD進(jìn)行通信，而FFD不僅可以與其它FFD設(shè)備通信，還能與RFD之間通信。在一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，必須有一個FFD充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器（PAN）。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器除直接參與應(yīng)用外，還需要完成鏈路狀態(tài)信息管理成員、身份管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。根據(jù)智能家居網(wǎng)絡(luò)的需要，網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)可以是一個FFD與多個RFD設(shè)備連接的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜腿渴荈FD設(shè)備的點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

在星型網(wǎng)絡(luò)中，各個終端設(shè)備直接與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸，由中心的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器集中控制整理個網(wǎng)絡(luò)的開成以及數(shù)據(jù)的傳輸。

在點(diǎn)到點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中，同樣也需要一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，和星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同的是，網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備可以和信號輻射范圍內(nèi)的所有其它設(shè)備通信，這種P2P網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式我們稱為是一種自修復(fù)和自組織的形式，它可以通過多跳路由等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸。

如圖1所示，整體系統(tǒng)主要由個人操作的人機(jī)界面、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，以及家庭內(nèi)部各種家電設(shè)備等網(wǎng)絡(luò)終端組成。由FFD組成的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)接入內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)，并對家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

RFD或FFD節(jié)點(diǎn)單元主要包括射頻收發(fā)模塊、傳感器或受控終端以及兩者之間的接口控制模塊。射頻收發(fā)模塊作為系統(tǒng)中各網(wǎng)絡(luò)的通信接口，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)無線連接和無線數(shù)據(jù)或指令的收發(fā)。系統(tǒng)的終端傳感主要是進(jìn)行環(huán)境溫度，濕度的采集以及對網(wǎng)絡(luò)家電的控制。

目前市場上主要ZigBee芯片提供商（2.4GHZ），主要有:TI/CHIPCON、EMBER(ST)、JENNIC（ 捷 力 ）、FREESCALE、MICROCHIP等，其中美國的德州儀器公司是全球著名的半導(dǎo)體公司，作為ZigBee技術(shù)聯(lián)盟的發(fā)起者和主要成員之一，其子公司CHIPCON公司是業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee無線解決方案供應(yīng)商。

德州儀器公司針對ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供了完整的軟硬件解決方案。智能設(shè)備節(jié)點(diǎn)推薦使用TI/CHIPCON公司的CC2430綜合解決方案作為主要硬件平臺，CC2430模塊中除了ZigBee收發(fā)模塊之外，還包含了一個具有較高處理能力的MCU內(nèi)核，單片機(jī)根據(jù)預(yù)先寫入的程序，采集傳感器信息、轉(zhuǎn)發(fā)命令和狀態(tài)信息，通過繼電器控制家居設(shè)備的工作。

5 結(jié)論

由于人們的生活水平及信息化水平的不斷提高，智能家居這一新技術(shù)使用正進(jìn)入千家萬戶中，ZigBee無線局域網(wǎng)協(xié)議由于其距離短，復(fù)雜度低、功耗低、傳輸率低并具有自修復(fù)和自組織的特點(diǎn)明顯優(yōu)越于其它無線局域網(wǎng)協(xié)議，CC2430芯片則是實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議的很好的硬件支撐，隨著無線網(wǎng)絡(luò)及智能家居的普及發(fā)展，我們期待更先進(jìn)的智能家居無線局域網(wǎng)協(xié)議和更價廉物美的硬件支撐設(shè)備的出現(xiàn)。

[1]陸冬磊.無線網(wǎng)絡(luò)ZigBee技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用[J].電腦知識與技術(shù)，2010，12.

[2]尹應(yīng)鵬.基于CC2430的ZigBee無線數(shù)傳模塊的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)[J].電子元器件表用，2008，4.