智能家居技術(shù)淺談

【摘 要】當(dāng)人們不再滿足于傳統(tǒng)的家居環(huán)境單一的居住功能，希望能夠得到更加輕松、有序、高效的現(xiàn)代生活方式。于是承載著科技與創(chuàng)新的智能家居就應(yīng)運(yùn)而生，它極大的滿足了人們對(duì)生活的更加高端的要求的同時(shí)，還能夠針對(duì)更多的方面對(duì)我們的家居生活進(jìn)行管理。本文對(duì)目前智能家居系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的說明，來讓讀者了解這一種生活方式的實(shí)現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】智能家居；ZigBee技術(shù)；家庭網(wǎng)關(guān)；傳感器節(jié)點(diǎn)

在現(xiàn)今社會(huì)，人們的工作壓力越來越大，競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)激烈，給予家庭生活的時(shí)間也越來越少。當(dāng)結(jié)束一天工作的人們回到家時(shí)已疲憊不已，如果空調(diào)已經(jīng)將室溫降到適宜的溫度，飯已經(jīng)做好，洗澡水已經(jīng)放好，還有什么比這樣的生活更美好的呢？

傳統(tǒng)的家居環(huán)境只滿足了人們最基本需要，它的局限性日益凸顯。比如現(xiàn)在我們的生活中只能需要哪個(gè)開關(guān)工作，才去觸動(dòng)相應(yīng)的這個(gè)開關(guān)，而無法進(jìn)行整體的集中管理，這在某些情況下就不方便了。傳統(tǒng)的家居環(huán)境的對(duì)于安全的管理能力比較差，一旦發(fā)生火災(zāi)或者煤氣泄漏等危險(xiǎn)情況的時(shí)候，不能夠及時(shí)有效地警報(bào)和處理，這對(duì)普通家庭造成的后果是嚴(yán)重的。此外，傳統(tǒng)家居在對(duì)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、處理突發(fā)事件和及時(shí)獲取家居環(huán)境信息等方面的能力也極為有限，難以滿足人們對(duì)家居系統(tǒng)進(jìn)行集中、智能、實(shí)時(shí)和遠(yuǎn)程的監(jiān)控的需要。

針對(duì)這些問題，于是有了智能家居（Smart Home）的概念。所謂智能家居系統(tǒng)是指綜合使用各項(xiàng)通信、傳感器及控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)家居系統(tǒng)的人性化、智能化的集成管理系統(tǒng)。它的設(shè)計(jì)理念在于將家居的自動(dòng)化、環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、安全防護(hù)等集中在一個(gè)綜合的管理系統(tǒng)，即智能家居監(jiān)控系統(tǒng)上，同時(shí)要求該系統(tǒng)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和系統(tǒng)擴(kuò)展性，可根據(jù)用戶實(shí)際需求進(jìn)行功能上的增減。

現(xiàn)在國(guó)人對(duì)于智能家居的認(rèn)識(shí)還停留在起步階段，很多產(chǎn)品還在利用人們對(duì)智能家居的認(rèn)識(shí)不足而大打概念牌。讓很多消費(fèi)者都誤以為這樣的產(chǎn)品是高科技，是新技術(shù)。其實(shí)早在1984年，世界上第一幢智能建筑就在美國(guó)康涅迪格州，這棟意義非凡的建筑其實(shí)只是對(duì)一座舊式大樓進(jìn)行了一定程度的改造，它只是采用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控大樓的電梯、空調(diào)、照明等設(shè)備，并簡(jiǎn)單提供語(yǔ)音通信、電子郵件、情報(bào)資料等方面的信息服務(wù)。當(dāng)然，這僅僅是智能家居的一個(gè)雛形。隨著科技的不斷進(jìn)步，國(guó)外的智能家居系統(tǒng)技術(shù)己日趨成熟，尤其是歐美的發(fā)達(dá)國(guó)家，現(xiàn)正逐步的給一部分新房賦予其“智慧的心臟”。

1.技術(shù)依據(jù)

ZigBee技術(shù)是一種近些年才興起的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其突出的優(yōu)勢(shì)是成本低，功耗低。適用于網(wǎng)絡(luò)容量大，數(shù)據(jù)交換量小，對(duì)傳輸速率要求不高的場(chǎng)合。在通信時(shí)，連接時(shí)間短，大大減少了通信數(shù)據(jù)碰撞的概率。同時(shí)，它還會(huì)對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理，網(wǎng)絡(luò)的安全性比較高。因此，它完全滿足家庭用傳感器組網(wǎng)的要求。

ZigBee技術(shù)的物理層和MAC層的協(xié)議是由IEEE802.15.4工作組負(fù)責(zé)制定的，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，而高層應(yīng)用、測(cè)試和市場(chǎng)推廣等方面的工作則是由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層（PHY）和介質(zhì)接入控制子層（MAC）。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層框架的設(shè)計(jì)，其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層（APS）、設(shè)備對(duì)象層（ZDO）和由制造商制訂的應(yīng)用對(duì)象。

Zigbee支持的設(shè)備類型包括全功能設(shè)備（FFD）和半功能設(shè)備（RFD）。全功能設(shè)備可以和其他全功能設(shè)備或半功能設(shè)備通信，可以作為PAN協(xié)調(diào)器，路由器和終端設(shè)備。但半功能設(shè)備只能和全功能設(shè)備通信，所以也只能作為終端設(shè)備。在IEEE802.15.4物理層和MAC層基礎(chǔ)上，Zigbee網(wǎng)絡(luò)層還提供了一些功能，比如動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)的建立、地址、路由等。

2.系統(tǒng)構(gòu)架

要建立一個(gè)完整的家庭控制網(wǎng)絡(luò)，光有通信技術(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，比較普遍的方式是采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來構(gòu)架智能家居系統(tǒng)，在這里介紹的系統(tǒng)是就由一個(gè)家庭網(wǎng)關(guān)和若干個(gè)無線通信ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)模塊組成的。

2.1家庭網(wǎng)關(guān)

在前面的內(nèi)容中提到的家庭網(wǎng)關(guān)，它作為整個(gè)智能家居系統(tǒng)的控制中心，與各傳感器節(jié)點(diǎn)互相連成一個(gè)內(nèi)部信息網(wǎng)。但內(nèi)部信息網(wǎng)絡(luò)還需要和外部網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通才能滿足用戶對(duì)監(jiān)控的要求，否則無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集中化管理，不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的診斷和更新，以及遠(yuǎn)程設(shè)置和維護(hù)，同時(shí)用戶無法獲取家中的各種情況，對(duì)家中的設(shè)備也無法進(jìn)行管理和遠(yuǎn)程控制。如何選擇家庭內(nèi)部信息網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的方式呢？通常的選擇是公用電話網(wǎng)，或者是互聯(lián)網(wǎng)。這就對(duì)應(yīng)電話接口和家庭網(wǎng)關(guān)這兩種設(shè)備。只是電話接口的數(shù)據(jù)傳輸能力和控制功能都十分有限，擴(kuò)展性并不理想，因此，一般采用家庭網(wǎng)關(guān)這種設(shè)備來進(jìn)行智能家居系統(tǒng)的控制。

2.2傳感器節(jié)點(diǎn)

智能家居傳感器網(wǎng)絡(luò)是在家庭環(huán)境中的指定位置布置傳感器節(jié)點(diǎn)，并且以無線通信的方式組成的網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)集成了傳感器件、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，負(fù)責(zé)測(cè)量周圍一定范圍內(nèi)的溫度、濕度、光強(qiáng)度、不正常入侵等情況的變化，將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和通信，并且通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)不僅只有無線收發(fā)模塊，它還包括具有一定處理能力的MCU芯片，能夠根據(jù)預(yù)先寫入的程序采集傳感器的信息，進(jìn)行命令、狀態(tài)信息的轉(zhuǎn)發(fā)，控制設(shè)備，并且能對(duì)子網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中管理，從而維護(hù)整個(gè)傳感器系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

通過布置在房間不同位置的溫度、濕度、光照等不同的傳感器，感知到居室所對(duì)應(yīng)區(qū)域的相關(guān)狀況，從而對(duì)相關(guān)家用電器進(jìn)行控制，以便提供給人們更加舒適便捷的居住體驗(yàn)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，而該網(wǎng)絡(luò)是由隨機(jī)分布的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)雖然數(shù)量大，但由于相互之間數(shù)據(jù)交換量小，所以對(duì)傳輸速率要求也并不高。

家庭網(wǎng)關(guān)是一臺(tái)全功能設(shè)備（FFD），在這里它充當(dāng)?shù)氖蔷W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由它來主導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的建立，監(jiān)督網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。給它配置較多的存儲(chǔ)空間，可以用來完成網(wǎng)絡(luò)初始化，數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制等功能。其他的無線通信ZigBee子節(jié)點(diǎn)模塊則是半功能設(shè)備（RFD），完成傳感器狀態(tài)采集，響應(yīng)查詢、設(shè)備控制等，正因?yàn)樗鼈兪前牍δ茉O(shè)備，所以這些ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)模塊只能與家庭網(wǎng)關(guān)之間進(jìn)行通信，相互之間不能進(jìn)行通信。

2.3物理接口

物理接口是網(wǎng)絡(luò)的信息管理的核心部分，也是家庭網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)之間的橋梁，家庭網(wǎng)關(guān)和各傳感器節(jié)點(diǎn)之間通信就是由物理層來完成的，并且能夠翻譯通信內(nèi)容，使家庭網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)之間能夠相互理解通信的內(nèi)容。

3.結(jié)語(yǔ)

綜上，智能家居必然成為未來住宅的發(fā)展趨勢(shì)，而本文通過對(duì)構(gòu)建智能家居系統(tǒng)的技術(shù)依據(jù)和系統(tǒng)構(gòu)架的說明，簡(jiǎn)單闡述其相關(guān)的技術(shù)，而其中無線通信技術(shù)的應(yīng)用及系統(tǒng)的集成化、功能的多樣化是主流的發(fā)展趨勢(shì)，也為智能家居的發(fā)展提供了更加豐富的前景。我們也有理由相信這種生活方式離我們并不遙遠(yuǎn)。 [科]

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