智能家居通信技術研究綜述

茅天陽+趙亮

摘 要：文中分有線和無線傳輸方式對智能家居中的通信技術進行了綜述。有線傳輸方式包括電力載波通信、以太網(wǎng)、RS-485總線等，無線傳輸方式包括ZigBee、WiFi、GSM/GPRS、無線射頻技術等。此外，對各種傳輸技術的優(yōu)缺點進行了比較，指出了智能家居通信技術的發(fā)展方向，認為無線傳輸方式將會是未來發(fā)展的重點。

關鍵詞：智能家居；電力載波；RS-485；ZigBee；WiFi；GSM/GPRS

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

智能家居是一種居住環(huán)境，其基礎是住宅，其目的是構(gòu)建高效的住宅與家庭日程管理系統(tǒng)，其手段是利用網(wǎng)絡、布線、音頻、自控、安全等一系列技術將家居生活有關的設施集成。

作為一個新興產(chǎn)業(yè)，智能家居還未真正進入成長期，市場消費觀念還未形成，但隨著智能家居市場推廣普及的進一步落實，在消費者的觀念形成后，智能家居市場未來擁有無窮潛力，產(chǎn)業(yè)前途無量。正因為如此，越來越多的智能家居生產(chǎn)企業(yè)開始投入對行業(yè)市場的研究，特別是對企業(yè)成長環(huán)境和消費者需求變化的深入研究。隨著科學技術日新月異的發(fā)展，數(shù)據(jù)通信技術迅速向智能家居滲透。居住環(huán)境信息獲取和傳輸技術需要運用適宜的現(xiàn)代通訊手段來實現(xiàn)。按通信技術傳輸介質(zhì)的不同可分為有線和無線兩種方式。有線通信方式具有系統(tǒng)可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點。但傳感器與執(zhí)行機構(gòu)數(shù)量多且分散，導致布線復雜、維護困難。無線通信以組網(wǎng)靈活、無需布線等優(yōu)點在智能家居中逐漸興起。智能家居中常見的有線方式有電力載波和以太網(wǎng)等，無線方式則包括ZigBee、WiFi、GSM/GPRS、無線射頻技術等，本文對這些通信技術在智能家居領域中的應用進行了綜述。

1 有線通信方式

有線通信方式具有穩(wěn)定、安全和高速等優(yōu)點，但存在設備移動性差和布線繁瑣、布線成本高等不足。常用的有線通信方式有電力載波和以太網(wǎng)等。

1.1 電力載波通信

電力線載波（Power Line Carrier，PLC）是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力線載波通訊是指利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g。其最大特點是不需要重新架設網(wǎng)絡，只要有電線就能進行數(shù)據(jù)傳遞。

馬樂等（2013）[1]設計了基于物聯(lián)網(wǎng)體系的智能家居系統(tǒng)，以Internet和GSM為遠程控制基礎，以RF無線射頻技術為近程控制手段，以PLC為通訊總線，解決家庭內(nèi)部點對點高速多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。羅玉平等（2014）[2]設計了基于電力線載波通信的智能家居控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以STM32主控制器為核心，內(nèi)嵌Web服務器，結(jié)合GPRS網(wǎng)絡、電力載波通信技術以及傳感器技術可實現(xiàn)遠程智能控制。宣航（2015）[3]開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于電力線載波通信技術，以TOP6410開發(fā)板為核心，以OFDM調(diào)制技術為基礎構(gòu)建了智能家居系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件平臺。

1.2 以太網(wǎng)

以太網(wǎng)（Ethernet）首次由羅伯特·梅特卡夫和施樂公司帕洛阿爾托研究中心的同事研制，如今已成為最流行的通信協(xié)議標準。以太網(wǎng)可以分為標準以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)以及萬兆以太網(wǎng)。

南春輝等（2013）[4]設計了基于Web技術的嵌入式智能家居系統(tǒng)，通過構(gòu)建Web服務器對家居設備的工作狀態(tài)進行記錄和控制，內(nèi)部家居通過以太網(wǎng)相連，以Socket協(xié)議與服務器通信。陳瑋等（2015）[5]設計了基于Andriod平臺的智能家居系統(tǒng)，將云計算中心與路由器用以太網(wǎng)連接，使用內(nèi)外網(wǎng)通信方式，當家庭寬帶不可用時仍能通過內(nèi)網(wǎng)實現(xiàn)對家居設備的控制。侯維巖等（2015）[6]設計并實現(xiàn)了智能家居網(wǎng)關及其Web控制軟件，提出了一種能夠同時兼容ZigBee、Bluetooth和以太網(wǎng)，并能方便操作的B/S智能家居控制系統(tǒng)。

1.3 RS-485總線

RS-485是串行數(shù)據(jù)接口標準，1983年在RS-422基礎上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發(fā)送器連接到同一條總線上，同時增加了發(fā)送器的驅(qū)動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標準。

陶莉等（2007）[7]設計了基于RS-485總線的智能家居系統(tǒng)，采用RS-485總線的主從網(wǎng)絡實現(xiàn)了以PC機為家庭網(wǎng)關的基于RS-485總線的智能家居系統(tǒng)。徐鋒等（2009）[8]設計了智能家居遠程控制系統(tǒng)，以ARMLPC2364為核心，由MAX3088構(gòu)成RS-485接口，不僅可以節(jié)省開支，其省電節(jié)耗效果也十分明顯。劉璟（2010）[9]設計了基于PXA270-Linux的智能家居系統(tǒng)，通過運用RS-485總線接入各種傳感器模塊的思想，實現(xiàn)了家居安全報警、家用電器及照明系統(tǒng)遠程控制。張小貝等（2012）[10]設計了基于嵌入式控制和RS-485的智能家居系統(tǒng)，具有良好的應用性。張玲（2014）[11]設計了基于STM32的智能家居系統(tǒng)，各智能產(chǎn)品通過RS-485總線方式和控制器通訊，具有控制方式多樣靈活、模塊功能可擴展性強、設備操作簡單易行等優(yōu)點。

RS-485接口具有良好的抗干擾性，按其接口組成的半雙工網(wǎng)絡一般只需兩根連線，長的傳輸距離和多站能力等使其成為首選的串行接口，但RS-485總線的主從和半雙工工作方式難以實現(xiàn)各節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換，且存在效率低、實時性差等問題。

2 無線通信方式

與有線通信方式相比，無線通信網(wǎng)絡是一種以數(shù)據(jù)為中心的自組織無線網(wǎng)絡，具有可快速臨時組網(wǎng)、拓撲結(jié)構(gòu)可動態(tài)變化、抗毀性強、無需架設網(wǎng)絡基礎設施等優(yōu)點。常用的無線通信方式有ZigBee、WiFi、GSM/GPRS、無線射頻技術等。

2.1 ZigBee技術

ZigBee類似于藍牙，是一種新生的短距離通信技術。與藍牙高昂的價格，組網(wǎng)復雜等特點不同，ZigBee成本低、功耗低，且組網(wǎng)方便，因此許多廠商都對其感興趣。ZigBee遵循IEEE 802.15.4標準，工作在204 GHz的頻段上。

運用這種技術將智能家居中的各種電子設備組成一個無線傳感網(wǎng)絡，從而快捷方便地對居住環(huán)境參數(shù)進行自動監(jiān)測，意義重大。辛海亮等（2013）[12]設計了一種基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)的總體方案，以Linux系統(tǒng)為核心，以ZigBee無線通信技術進行信號傳輸并以GPRS通信技術進行系統(tǒng)遠程監(jiān)控。高鵬等（2014）[13]設計了基于ARM和ZigBee的智能家居監(jiān)控網(wǎng)絡，在家庭內(nèi)部通過基于德州儀器CC2530無線收發(fā)芯片的ZigBee無線網(wǎng)絡將家用電器與其他監(jiān)控設備連接在一起組成無線家庭網(wǎng)絡。龐泳等（2014）[14]設計了基于ZigBee的智能家居改進系統(tǒng)，通過改進的MAC協(xié)議與ZigBee數(shù)據(jù)幀結(jié)合，對網(wǎng)內(nèi)不同數(shù)據(jù)類型采取針對性處理措施，使系統(tǒng)具有較低的功耗和較高的安全性。季建華（2015）[15]設計并實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)，同時又以JN5139芯片為核心設計了各ZigBee終端節(jié)點，采用星型網(wǎng)絡實現(xiàn)ZigBee無線組網(wǎng)。Chatura等（2016）[16]基于ZigBee設計了低復雜度展頻智能家居網(wǎng)絡體系，提升了共存能力，增強了多徑衰落影響下的魯棒性。Raafat等（2016）[17]基于ZigBee面向殘疾人設計了可配置的智能家居控制系統(tǒng)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可為殘疾人提供更好、更便捷的生活方式。孫正鳳等（2016）[18]設計了基于改進ZigBee路由算法的智能家居控制系統(tǒng)，仿真表明，當節(jié)點數(shù)越多，改進的算法可減少30%的能耗，并且隨時間的增長，死亡節(jié)點數(shù)將降低10%，有效均衡了網(wǎng)絡負載。

應用ZigBee技術可通過無線傳輸方式實現(xiàn)每個節(jié)點家居環(huán)境控制器與管控計算機的組網(wǎng)及靈活的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸，提高了智能家居系統(tǒng)的靈活性和可靠性，并大幅降低了成本。

2.2 無線WiFi技術

WiFi （Wireless Fidelity）網(wǎng)絡符合IEEE/802.11b協(xié)議，由AP（Access Point）和無線網(wǎng)卡組成，組網(wǎng)方式較為簡單，具有無線接入、高速傳輸以及傳輸距離遠等優(yōu)點。

董思喬等（2015）[19]設計了基于WiFi構(gòu)建的智能家居控制系統(tǒng)，采用PC機和智能手機作為基本硬件平臺，輔以WiFi插座和WiFi智能傳感器來實現(xiàn)智能家居控制系統(tǒng)。應聞達等（2015）[20]提出了家庭網(wǎng)絡中智能家居設備無限快速連接技術，經(jīng)測試，無線連接所需時間為10～20 s，連接成功率幾乎為100%，明顯優(yōu)于基于多播或廣播的WiFi一鍵配置技術。喬季軍等（2015）[21]設計了融合ZigBee和WiFi無線技術的智能家居系統(tǒng)，研究了采集數(shù)據(jù)的程序開發(fā)、單片機系統(tǒng)的底層編程和數(shù)據(jù)傳輸校驗等軟件程序。Wang等（2016）[22]設計并實現(xiàn)了基于iOS的智能家居聲控系統(tǒng)，手機通過路由器的WiFi信號向終端發(fā)送指令。賈陽靜等（2016）[23]設計了基于Android和WiFi通信的智能家居系統(tǒng)，采用具有Android操作系統(tǒng)的智能手機或平板電腦作為家居控制終端，通過無線路由器搭建智能家居系統(tǒng)平臺。

智能家居充分利用現(xiàn)有普及的WiFi網(wǎng)絡資源，極大地擴展了信號的覆蓋面積，組網(wǎng)成本大大下降，加之其固有的傳輸速度快的優(yōu)點，在消費者中具有較大普及潛力。

2.3 GPRS/GSM通信技術

GPRS（通用分組無線服務）是一種收費的數(shù)據(jù)承載業(yè)務，屬于第二代移動通信中的數(shù)據(jù)傳輸技術，其傳輸距離遠、穩(wěn)定性較好、傳輸速度快，一般用于遠距離實時通信。

Zhang等（2013）[24]設計了由SMS控制的智能家居系統(tǒng)，通過手機短信發(fā)送一系列指令，實現(xiàn)遠程監(jiān)控家居系統(tǒng)。劉練等（2014）[25]設計并實現(xiàn)了基于App的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，傳感器將污染氣體及PM2.5濃度信息通過GPRS傳送到后臺服務器。武一等（2014）[26]設計了基于GSM和ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)，通過GSM網(wǎng)絡實現(xiàn)用戶手機對智能家居的遠程監(jiān)控。實驗表明，該系統(tǒng)具有功耗低、可靠性高、易擴展、使用方便等優(yōu)點。曹夢龍等（2014）[27]設計并實現(xiàn)了基于Internet和GSM的智能家居網(wǎng)關，系統(tǒng)重要的報警信息可以通過手機模組以短信的形式及時發(fā)送至用戶的手機上。R.Gnanavel等（2016）[28]針對老年人設計了無線傳感網(wǎng)絡智能家居系統(tǒng)，其中，GSM用于緊急情況下向就近醫(yī)院發(fā)送短信。

GPRS/GSM通信方式適合遠距離且不具備有線網(wǎng)絡情況下的數(shù)據(jù)傳輸，采用包交換的優(yōu)點是在有效數(shù)據(jù)需要傳送時才會占用頻寬，還可以以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量計價，對用戶而言，這是比較合理的計費方式。

2.4 RF無線射頻技術

無線射頻是20世紀90年代興起的一種非接觸式自動識別技術，其識別系統(tǒng)主要由電子標簽、讀卡器、上位機組成，通過射頻信號識別標簽并獲取信息。

劉杰等（2012）[29]實現(xiàn)了利用433 MHz射頻通信技術的智能家居系統(tǒng)，測試結(jié)果表明，使用433 MHz射頻技術可以很好地解決傳輸能力和頻帶資源分配問題。曾艷等（2014）[30]設計并實現(xiàn)了智能家居RF通信模塊的問題，測試表明，該無線通信模塊能夠滿足低成本、低功耗和遠距離無線傳輸?shù)囊?。曾明如等?015）[31]設計了基于ARM和nRF905組網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)，系統(tǒng)對射頻數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進行了設計，給出了室內(nèi)多個微控制器的組網(wǎng)方案，萬能遙控器通過射頻信號實現(xiàn)對家電的近距離控制。曾明如等（2015）[32]設計了基于ARM和RF無線技術的智能家居系統(tǒng)，控制信息以射頻信號的形式發(fā)送到無線通訊節(jié)點或智能插座，試驗結(jié)果表明，各家電能夠響應相應的控制要求。葛陽等（2015）[33]設計并實現(xiàn)了智能家居433 MHz射頻通信協(xié)議棧，并詳細討論了協(xié)議棧的工作原理。

3 常用通信技術比較

上述7種作為智能家居系統(tǒng)常用的通信方式各有特點，在不同的應用場景可以發(fā)揮各自優(yōu)勢，揚長避短，也可以將這7種通信方式進行組合，實現(xiàn)高效、遠程傳輸?shù)哪康摹３Ｒ姷氖菍⑦m合近距離的通信方式和適合遠距離傳輸?shù)腉PRS/GSM相結(jié)合。

有線通信具有高可靠性、速度快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。但布線繁瑣、成本較高。無線通信方式具有設備移動性好，不需或只需少量布線的優(yōu)點，但存在易受環(huán)境影響和延遲較大的不足。

從發(fā)展角度看，無線通信將是智能家居系統(tǒng)重要的研究方向。各種通信方式的性能比較見表1所列。

4 結(jié) 語

本文介紹了幾種智能家居系統(tǒng)信息傳輸方式，包括有線及無線傳輸方式，比較了他們的優(yōu)缺點，并提出了未來發(fā)展的趨勢。信息傳輸是智能家居系統(tǒng)不可缺少的組成部分，合理選擇信息傳輸方式對整個智能家居系統(tǒng)起著重要作用。隨著網(wǎng)絡技術和通信技術的發(fā)展，各種技術相互結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢。結(jié)合后的數(shù)據(jù)傳輸技術可實現(xiàn)優(yōu)勢互補，既能充分發(fā)揮各種技術的突出優(yōu)勢，又能最大程度發(fā)揮整體效應。無線網(wǎng)絡是未來的發(fā)展重點。

參考文獻

[1]馬樂，燕煒，姜思羽，等.基于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的智能家居系統(tǒng)設計[J].北京師范大學學報（自然科學版），2013，49（5）：458-461.

[2]李玉平，羅友，秦會斌，等.基于電力線載波通信的智能家居控制系統(tǒng)設計[J].電子器件，2014，37（3）：487-492.

[3]宣航.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)[J].電源技術，2015，39（4）：836-837.

[4]南春輝，李博，武穎.基于Web技術的嵌入式智能家居系統(tǒng)設計[J].電視技術，2013，37（3）：86-92.

[5]李琪，秦會斌，楊永舒，等.基于Android平臺的智能家居系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2014，22（24）：52-54.

[6]侯維巖，魏耀徽，龐中強.智能家居網(wǎng)關及其Web控制軟件的設計與實現(xiàn)[J].自動化儀表，2015，36（5）：64-67.

[7]陶莉，黃佩偉，溫細金.基于RS-485總線的智能家居系統(tǒng)[J].自動化儀表，2007，28（11）：49-51.

[8]徐鋒，劉欣，方加寶.智能家居遠程控制系統(tǒng)設計[J].電氣與能效管理技術，2009（4）：21-24.

[9]劉璟.基于PXA270-Linux的智能家居系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術，2010，33（13）：207-208.

[10]張小貝，周鳳星.基于嵌入式控制器和RS485的智能家居系統(tǒng)[J].電子測量技術，2012，35（8）：62-65.

[11]張玲.一種基于STM32的智能家居系統(tǒng)設計[J].電子技術，2014（11）：51-54.

[12]辛海亮，鐘佩思，朱紹琦，等.基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)[J].電子技術應用，2013，39（12）：79-81.

[13]高鵬，鄭超，任岐鳴，等.ARM和ZigBee的智能家居監(jiān)控網(wǎng)絡設計[J].計算機測量與控制，2014，22（10）：3206-3209.

[14]龐泳，李光明.基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)改進研究[J].計算機工程與設計，2014，35（5）：1547-1550.

[15]季建華.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].計算機應用與軟件，2015，32（11）：143-146.

[16] Chatura S，Henry L.A Low Complex Spectrum Scheme for ZigBee based Smart Home Network[C].13th IEEE CCNC.，2016：984-987.

[17] Raafat A，A.R.A，Nourthan K，Diala A.Configurable ZigBee-based Control System for People with Multiple Disabilities in Smart Homes[Z].2016，IEEE.

[18]孫正鳳，井娥林，竇如鳳.基于改進ZigBee路由算法的智能家居控制系統(tǒng)[J].電子器件，2016，39（1）：199-204.

[19]董思喬，趙榮建，孫通.基于WiFi構(gòu)建的智能家居控制系統(tǒng)的設計[J].電視技術，2015，39（4）：89-91.

[20]應聞達，徐龍杰，郭濤，等.家庭網(wǎng)絡中智能家居設備無線快速連接技術[J].電信科學，2015，31（11）：119-124.

[21]喬季軍，王德宇，李玉琳，等.融合ZigBee與WiFi無線技術智能家居系統(tǒng)的設計[J].自動化儀表，2015，36（12）：48-51.

[22] Wang Y L，Dong P.The design and implementation of the voice control system of smart home based on iOS[C].Proceedings of 2016 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation：133-138.

[23]賈陽靜，鄒念育，雷冬鳴，等.基于Android和WIFI通信的智能家居系統(tǒng)設計[J].大連工業(yè)大學學報，2016，35（1）：67-71.

[24] Zhang J B，Bao K Y，Liu X，et al.The Intelligent Home System Controlled by SMS[Z].2013 ICACSEI：268-271.

[25]劉練，周鳳星.基于APP的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2014，22（7）：2018-2023.

[26]武一，包春蘭.基于GSM和ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)設計[J].河北工業(yè)大學學報，2014，43（1）：15-18.

[27]曹夢龍，鄒云東.基于Internet和GSM的智能家居網(wǎng)關設計與實現(xiàn)[J].電視技術，2014，38（3）：73-75.

[28] R.Gnanavel，P.Anjana，K.S.Nappinnai，N.Pavithra Sahari.Smart Home System Using A Wireless Sensor Network For Elderly Care[Z].2016 2nd ICONSTEM：51-55.

[29]劉杰，章韻，陳建新.利用433MHz射頻通信技術實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)[J].計算機應用，2012，32（S2）：68-72.

[30]曾艷，程文彬，戴躍洪.智能家居RF通信模塊的設計與實現(xiàn)[J].電信科學，2014，30（7）：95-99.

[31]曾明如，羅浩，徐小勇，等.基于ARM和nRF905組網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設計[J].計算機測量與控制，2015，23（4）：1418-1420.

[32]曾明如，李偉，羅浩，等.基于ARM和RF無線技術的智能家居系統(tǒng)設計[J].南昌大學學報（理科版），2015，39（5）：437-441.

[33]葛陽，李大剛.智能家居433MHz射頻通信協(xié)議棧設計與網(wǎng)關實現(xiàn)[J].電信科學，2015，31（9）：130-136.