基于家庭基站智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉功民

摘 要：開展基于家庭基站的個(gè)人增值應(yīng)用以增加其附加值和對(duì)用戶的吸引力，成為家庭基站產(chǎn)品規(guī)模商用的有效和必經(jīng)途徑。文章提出的基于家庭基站的智能家居系統(tǒng)，依托家庭基站和ZigBee技術(shù)組建家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，采用家庭基站作為其外部通信鏈路，通過普通的移動(dòng)終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程接入和控制。

關(guān)鍵詞：家庭基站；ZigBee；智能家居；遠(yuǎn)程控制；用戶管理系統(tǒng)

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(wǎng)絡(luò)回程等優(yōu)勢(shì)被廣泛接納，在寬帶移動(dòng)通信領(lǐng)域，已成為解決室內(nèi)深度覆蓋的首選技術(shù)[1]。本文結(jié)合目前發(fā)展迅猛的智能家居，提出基于家庭基站智能家居系統(tǒng)基于家庭基站的智能家居系統(tǒng)（Femtocell-based SmartHome System，F(xiàn)SHS）的構(gòu)建框架并給出具體的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。

1 FSHS系統(tǒng)架構(gòu)

FSHS總體架構(gòu)如圖1所示，包括ZigBee域、家庭基站接入點(diǎn)（Femto Access Point.FAP）域、遠(yuǎn)程通信域和用戶控制域等4個(gè)部分，其中ZigBee域和FAP域同屬家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)[2]。

ZigBee域基于ZigBee技術(shù)組網(wǎng)，主要進(jìn)行燈光、家電的控制及其能耗管理，同時(shí)還負(fù)責(zé)電表、水表和煤氣表的數(shù)據(jù)采集；FAP域基于家庭基站技術(shù)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)護(hù)和家庭安保中的數(shù)據(jù)采集和視頻監(jiān)控功能，同時(shí)失火、非法侵入等災(zāi)情的數(shù)據(jù)采集、處理和響應(yīng)也承載在該域。從家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的角度看，F(xiàn)AP同時(shí)兼具家庭網(wǎng)關(guān)[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(dāng)用戶處于家庭區(qū)域之外時(shí)，不管是靜止?fàn)顟B(tài)還是移動(dòng)狀態(tài)，都可以依托遠(yuǎn)程通信域，通過手持移動(dòng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問和控制；當(dāng)用戶處于家庭內(nèi)部區(qū)域時(shí)，仍然通過相同的手持移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行訪問和控制，所不同的是此時(shí)無需跨域依托移動(dòng)核心網(wǎng)和Internet的遠(yuǎn)程通信域，而是直接與FAP進(jìn)行通信。

2 FSHS各部分的功能與實(shí)現(xiàn)

2.1 ZigBee域

FSHS系統(tǒng)中，ZigBee域由一個(gè)ZigBee主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)ZigBee從點(diǎn)組成。主節(jié)點(diǎn)即網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，在實(shí)現(xiàn)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)管理與協(xié)調(diào)的同時(shí)，通過RS232或RS485等串行接口或者基于IEEE 802.3的以太網(wǎng)接口、甚至是通用分組無線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）接口等上聯(lián)到FAP，為省卻布線，F(xiàn)SHS系統(tǒng)中的主節(jié)點(diǎn)配備GPRS接口。從節(jié)點(diǎn)包括網(wǎng)絡(luò)路由器和網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，具體的設(shè)備實(shí)體包括數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)、無線傳感節(jié)點(diǎn)、燈光和家電控制節(jié)點(diǎn)等類型。數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)提供單跳范圍之外的從節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)之間的中繼；無線傳感節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)如溫度、濕度、亮度等環(huán)境數(shù)據(jù)以及如人體體溫、血壓等生理機(jī)能數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換并上報(bào)到主節(jié)點(diǎn)；燈光和家電控制節(jié)點(diǎn)接收來自上層的指令，轉(zhuǎn)換成被控對(duì)象能識(shí)別的數(shù)據(jù)格式與信號(hào)形式如紅外線（Infra Red，IR）發(fā)送到被控對(duì)象，同時(shí)采集被控對(duì)象的狀態(tài)數(shù)據(jù)上報(bào)到網(wǎng)絡(luò)上層供其決策。關(guān)于ZigBee各節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，大量文獻(xiàn)甚至工業(yè)領(lǐng)域已有較好的解決方案[3]，本文所提出的FSHS系統(tǒng)，通過調(diào)整FAP到ZigBee主節(jié)點(diǎn)的下聯(lián)接口即可無損地兼容現(xiàn)有各種基于ZigBee的家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

2.2 FAP域

FSHS系統(tǒng)中典型FAP的結(jié)構(gòu)，除了主控制單元（MainControl Unit，MCU）及與其配套的同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)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(wǎng)絡(luò)路由器（Home Network Router， HNR）等在內(nèi)的其余模塊都是傳統(tǒng)FAP的功能模塊，在FSHS系統(tǒng)中，沒有改動(dòng)其硬件，限于篇幅不做闡述。

MCU是FAP中實(shí)現(xiàn)FSHS系統(tǒng)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(zāi)情與險(xiǎn)情的判決及報(bào)警機(jī)制觸發(fā)均在該模塊實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，來自用戶控制終端的接入與訪問、各種控制指令、狀態(tài)查詢指令執(zhí)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(shè)備就是手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理（ PersonalDigital Assistant，PDA）等各種用戶移動(dòng)終端設(shè)備，鑒于它們的高智能性和高處理能力，加載相關(guān)的應(yīng)用程序即可滿足FSHS的需求。類似于無線應(yīng)用協(xié)議（Wireless ApplicationProtocol，WAP），用戶一旦啟動(dòng)該應(yīng)用程序，在遠(yuǎn)程通信域和FAP（本地時(shí)只需FAP）的協(xié)作下，根據(jù)用戶移動(dòng)設(shè)備的號(hào)碼即刻完成身份鑒權(quán)和認(rèn)證而無需輸入訪問接入碼之類的身份信息?；诖怂悸窐?gòu)建的應(yīng)用程序稱之為FSHS中的用戶端管理系統(tǒng)（FSHS Management System for User，F(xiàn)MS-U）。

FMS-U完全依附在用戶移動(dòng)終端設(shè)備的硬件平臺(tái)上，通過所開發(fā)的各種接口模塊調(diào)用終端設(shè)備相應(yīng)通信功能實(shí)現(xiàn)。FMS-U由系統(tǒng)配置界面、管理控制界面、底層接口模塊和后臺(tái)處理模塊4個(gè)部分組成。

2.4遠(yuǎn)程通信域

由圖l可知，遠(yuǎn)程通信域由Internet、移動(dòng)核心網(wǎng)和移動(dòng)宏基站或家庭基站等組成，只有當(dāng)用戶遠(yuǎn)程控制時(shí)才會(huì)用到，此時(shí)遠(yuǎn)程通信域?qū)τ脩艚K端的各種查詢和控制指令、家居狀態(tài)信息以及視頻數(shù)據(jù)都進(jìn)行透明傳輸，限于篇幅不再贅述。

3結(jié)語

用戶對(duì)家居信息化、智能化的需求，手機(jī)、PDA等移動(dòng)通信終端設(shè)備的高普及率，使FSHS具備了廣泛的用戶接納基礎(chǔ)；能無損兼容現(xiàn)有基于ZigBee、GPRS以及無線攝像頭等產(chǎn)品，使FSHS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)更加明顯；FSHS的推廣和應(yīng)用，使電信運(yùn)營商的業(yè)務(wù)得到了的拓展和延伸，將進(jìn)一步鞏固其市場(chǎng)占有率和企業(yè)競爭力。因此，基于家庭基站的智能家居系統(tǒng)FSHS，從用戶接納、技術(shù)優(yōu)勢(shì)到市場(chǎng)運(yùn)營均有較強(qiáng)的可行性。

[參考文獻(xiàn)]

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