无线网络在智能家居中的应用

卢 鹏

广州城建职业学院，广东 广州 510925

1 无线网路与智能家居

智能家居是指将家居内部的各种家电设备、安防报警装置、家庭娱乐设置等通过智能控制系统利用网络连接起来。在智能家居系统中，各种家居设备与控制系统可实现相互协作、远程控制的功能。与普通家居网络系统相比，智能家居能实现网络通信、接入外网远程控制、家庭自动化、家庭娱乐、信息管理和家庭事务管理等功能。智能家居系统能增强家庭的防盗安全和消防安全，能帮助人们综合利用时间，能提高人们家居生活的舒适性，还可以减少能源和资金的浪费，智能家居与家庭网络离不开，传统的智能家居网络布线方式是有线网络，但由于布线方式不方便，影响美观的原因，无线网络成了我们智能家居的必然趋势。

无线网络无需布线不会影响室内美观，节约了综合布的这方面的人力和物力，且组网灵活、快速等特点，非常适合家居网络组网的要求。智能家居系统中，无线网络使用己成为一种趋势，各种新的无线局域网协议不断研究出现，近年来所涌现的主要技术有802.11 系列无线局域网协议、Adhod、家庭射频（HomeRF）标准、无线蓝牙以及ZigBee等。

2 无线智能家居的系统的基本结构

2.1 无线智能家居网络的层次结构

智能家居系统依据他所实现的不同功能可以划分为感应层、信号网络层、应用软件层三个层次。感应层是智能家居网络终端设备，包括安装了无线通信模块的电器设备，影音娱乐设备，温湿度传感器，红外传感器，照明设备和安防设备等。信号网络层是智能家居的互联设备，包括家庭内网和接入到Internet的外网。连接Internet 外网的无线网络主要有GPRS网络（2G）、CDMA网络（3G）、LTE网络（4G），家庭内网的网络主要有有线以太局域网、WIFI无线局域网、ZigBee等。网络层连接一台数据库服务器和一台Web站点服务器。家庭数据网关的数据与数据库服务器进行数据交互；Web站点服务器通过访问上述数据库服务器获取数据将信息，并通过Web站点发布到互联网上，互联网上的用户可能过WEB平台进行访问智能家居内网的情况。应用软件层包括了访问WEB浏览器的终端上的使用的各种应用软件，比加各种测控软件、网络服务软件、应用程序等。

2.2 无线智能家居网络的拓扑结构

无线智能家居网络的拓扑结构由内外和外网构成，外网即Internet网络，内网即家庭网络。

智能网关是智能家居系统的核心控制部件，是网关与外网的通信交通通道，它嵌入了网页访问服务器和家庭内部网络的网络协调器，内网与外网通过它实现协议的转换实现互联。智能网关通过元线内部网络与家庭网络终端相互通信，外网用户可通过Internet访问Web服务器界面的应用软件实现对内网的监视与控制。拓扑图如图1所示。

3 智能家居无线网络常用技术

智能家居系统中，无线组网技术主要包括GPRS/GSM，Wi-Fi802.11、UWB、蓝牙（BlueTooth）和ZigBee等技术。GPRS主要应用在宽广地区的间频和数据，覆盖范围广，适合远距离传输。802.11系列协议标准有802.11a、802.11b、802.11g、802.11n等。这几种不同的无线协议、都是由802.11演变而来的。802.11是IEEE最初制定的一个无线局域网标准，主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入、802.11a工作在5.4G频段、最高速率54兆、主要用在远距离的无线连接、802.11b工作在2.4G频段、最高速率11兆、逐步被淘汰、802.11g工作在2.4G频段、最高速率54兆、802.11n最新无线标准、目前还不成熟、最高速率能到300兆，网络的组建模能达到32个节点甚至更高。蓝牙以通讯距离来在不同版本可再分为 Class A(1)/Class B(2)。Class B 是目前最流行的制式，通讯距离大约在 8m～30m之间，视产品的设计而定，耗电量和体积较细，方便携带是家庭设备到家庭网关之间无线接入非常有竞争力的标准。ZigBee技术是近年来发展的一种无线网络通信技术标准，是一种低速短距离传输的无线网络协议，底层是采用IEEE802.15.4标准规范的媒体存取层与实体层。在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对家庭自动化控制而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，自动化的控制需要实时的，可靠性高，而蓝牙技术较能做到这一点，因此，经过人们长期努力，ZigBee协议在2003年正式问世。ZigBee的容量很大，网络规模可达65536个，传输距离能达到1000m，带宽可达250KB。

4 ZigBee技术的智能家居系统中的实现

ZigBee是一个低功耗的局域网协议，基于IEEE802.15.4。这个名称来源来于蜜蜂的飞行八字舞，蜜蜂靠“嗡嗡”地抖动翅膀向同伴传递花所在的方位信息。

ZigBee就是依据蜜蜂飞行路径的这个特征来开发的局域网协议。这种协议的特点是距离短，复杂度低、功耗低、传输率低。主要适用于自动和远程控制领域，可嵌套入各种设备。基于这一协议的诸多优点。ZigBee近年来被广泛应用于智能家居等系统中。

在IEEE802.15中定义了两种设备:简化功能设备（RFD）和全功能设备（FFD）。在通信能力上，RFD只能与其关联的FFD进行通信，而FFD不仅可以与其它FFD设备通信，还能与RFD之间通信。在一个ZigBee网络中，必须有一个FFD充当网络的协调器（PAN）。网络协调器除直接参与应用外，还需要完成链路状态信息管理成员、身份管理以及分组转发等任务。根据智能家居网络的需要，网络的组网可以是一个FFD与多个RFD设备连接的星型网络拓扑和全部是FFD设备的点到点网络拓扑结构。

在星型网络中，各个终端设备直接与网络协调器进行关联和数据传输，由中心的网络协调器集中控制整理个网络的开成以及数据的传输。

在点到点的网络中，同样也需要一个网络协调器，和星型网络结构不同的是，网络中的所有设备可以和信号辐射范围内的所有其它设备通信，这种P2P网络结构形式我们称为是一种自修复和自组织的形式，它可以通过多跳路由等实现数据的安全传输。

如图1所示，整体系统主要由个人操作的人机界面、网络协调器，以及家庭内部各种家电设备等网络终端组成。由FFD组成的网络协调器负责接入内部无线网络，并对家庭内部网络数据进行处理。

RFD或FFD节点单元主要包括射频收发模块、传感器或受控终端以及两者之间的接口控制模块。射频收发模块作为系统中各网络的通信接口，进行网络中各节点设备网络无线连接和无线数据或指令的收发。系统的终端传感主要是进行环境温度，湿度的采集以及对网络家电的控制。

目前市场上主要ZigBee芯片提供商（2.4GHZ），主要有:TI/CHIPCON、EMBER(ST)、JENNIC（ 捷 力 ）、FREESCALE、MICROCHIP等，其中美国的德州仪器公司是全球著名的半导体公司，作为ZigBee技术联盟的发起者和主要成员之一，其子公司CHIPCON公司是业界领先的ZigBee无线解决方案供应商。

德州仪器公司针对ZigBee无线传感网络的应用提供了完整的软硬件解决方案。智能设备节点推荐使用TI/CHIPCON公司的CC2430综合解决方案作为主要硬件平台，CC2430模块中除了ZigBee收发模块之外，还包含了一个具有较高处理能力的MCU内核，单片机根据预先写入的程序，采集传感器信息、转发命令和状态信息，通过继电器控制家居设备的工作。

5 结论

由于人们的生活水平及信息化水平的不断提高，智能家居这一新技术使用正进入千家万户中，ZigBee无线局域网协议由于其距离短，复杂度低、功耗低、传输率低并具有自修复和自组织的特点明显优越于其它无线局域网协议，CC2430芯片则是实现ZigBee协议的很好的硬件支撑，随着无线网络及智能家居的普及发展，我们期待更先进的智能家居无线局域网协议和更价廉物美的硬件支撑设备的出现。

[1]陆冬磊.无线网络ZigBee技术在智能家居中的应用[J].电脑知识与技术，2010，12.

[2]尹应鹏.基于CC2430的ZigBee无线数传模块的设计和实现[J].电子元器件表用，2008，4.