智能家居发展中的关键技术探讨

北京工商大学计算机与信息工程学院 李 文 张家辉 魏 彤 罗浩东 尚经开

智能家居发展中的关键技术探讨

北京工商大学计算机与信息工程学院 李 文 张家辉 魏 彤 罗浩东 尚经开

智能家居是目前研究的热点，是多学科交叉发展的成果。本文主要介绍了家庭互联网、无线通信和大数据等关键技术在智能家居系统中的作用，以及这些技术在发展过程中的技术规范。以现代高科技为主的智能家居，已经成为社会信息化发展的重要组成部分。

智能家居；互联网；无线通信；大数据

引言

随着计算机技术和现代通信技术的快速发展，人类对居住条件的智能化要求越来越迫切，高效、舒适、安全的家居环境需要嵌入式、无线传感器、互联网、远程通信、云计算、大数据等技术的综合支持。智能家居于1984年由美国联合科技公司首次提出，我国则从本世纪初以来迅速发展，现代的智能家居通过物联网技术将家中的各种设备(如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、影音服务器、影柜系统、网络家电等)连接到一起，提供家电控制、照明控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段。

1.家庭互联网的建立与规范

智能家电终端的物理连接对家庭联网技术在带宽性能、QoS保证以及使用便捷上提出了更高的要求，目前在数字家庭组网中常见的互联技术主要分为有线和无线两种方式，有线方式包括电话线（HomePNA），以太网（IEEE802.3，802.3u）、串行总线（USB1.1，USB2.0，IEEE1394）等，无线方式包括无线局域网（IEEE802.11a，IEEE802.11b）、家庭射频（HomeRF）、蓝牙（802.15）、红外（IrDA）等。

智能家居系统的核心技术是家庭网关，可以实现内部网互联、信息存储、设备监控、数据计算以及和外部的连接。家庭网关的协议分为5层。第1层（物理媒体）和第2层（底层协议）的标准已经颁布并实行，第3层（应用程序接口）是关键技术，也是当前研究热点，第4层（应用程序）可根据功能的需求开发各种应用程序，第5层是最终用户接口，包括遥控接口、通用软件接口等，目前还没有形成统一标准。

2.无线通信技术

无线通信是指利用电磁波信号进行信息传播和交换的一种通信方式，主流技术包括Zigbee、GSM、IR、蓝牙、Wi-fi等。这些技术的不同点主要体现在调制方式、适用频段、通信距离和数据率等方面。Wi-fi和蓝牙技术都以“短小精悍”在智能应用上而著称。Wi-fi因开发应用简单方便，成本低廉，在家庭、公共场所等覆盖较广,可以用于很多智能家居设备中，也可以嵌入到其它设备中，是应用最为广泛的一种通信技术，如医疗监控设备、楼宇控制系统等；蓝牙技术一种在可移动设备中应用较广的无线通信技术，如移动电话、耳机、笔机本、平板电脑等。蓝牙技术设备体积小，便于携带或移动，成本低廉，目前也可应用于信息家电、嵌入式应用开发等诸多领域。

而Zigbee和Z-Wave技术虽然开发难度比Wi-fi和蓝牙技术要大，但在智能家居应用中更为稳定、成熟。Zigbee是智能领域应用最为广泛的无线通讯技术，可广泛用于智能家居、智能穿戴、工业控制、农业控制等。目前，Zigbee联盟在全世界规模要比其他几种技术联盟要大得多，成员分布多个领域和行业，如智能家居行业有知名的物联传感，电子设备商有华为等；Z-Wave最初是专门应用于智能家居的一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。随着智能领域的发展，Z-Wave技术设计逐渐可用于住宅、照明商业控制以及状态读取应用，例如抄表、照明及家电控制、HVAC、接入控制、防盗及火灾检测等。

2.1 Zigbee技术

ZigBee技术介于无线标记和蓝牙之间，主要用于近距离无线连接。依据IEEE802.15.4标准和ZigBee协议，可以在多个微小的传感器之间相互协调实现通信，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此通信效率非常高。一般而言，随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。

ZigBee无线传感器网络的典型体系结构包括分布式传感器节点、路由节点、协调器节点等。协调器节点建立ZigBee网络后，和其它路由节点一样，也负责路由和转发数据，并且维持ZigBee网络。通过网络自组织和多跳路由，将数据向协调器节点发送。

2.2 无线射频技术

无线射频技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术。通过高频的无线频率（315或433.92，868，915 MHz等）点对点传输，实现灯光、窗帘、家电等的遥控功能。这种技术的优点是部分产品无需重新布线，利用点对点的射频技术，实现对家电和灯光的控制，安装设置都比较方便，无须预先布线，不会破坏原有家居的美观。无线射频技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信技术。这种技术的优点是部分产品无需重新布线，利用点对点的射频技术，实现对家电和灯光的控制，安装设置都比较方便，主要应用于实现对某些特定电器或灯光的控制，成本适中。这类系统功能比较弱，控制方式比较单一，且易受周围无线设备环境特别是同频及阻碍物干扰和屏蔽；较适用于新装修户和已装修户。

这也就是我们家庭网络中所提到的有线网络和无线网络的区别。无线网络技术在没有布线的情况下也可以搭建家庭局域网。而无线射频技术也就是通过高频的无线频率（315或433.92MHz）点对点传输，实现灯光、窗帘、家电等的遥控功能。这类技术对于已经装修好了的用户非常适用，无须预先布线，不会破坏原有家居的美观。使用基于无线射频技术的产品，就可以将家里所有的电器串成一个网络，我们这里称它为智能家居无线网络，在这个网络中，我们可以随意遥控，让每个冷冰冰的电器都听命于我们。

2.3 Wi-fi技术

Wi-fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。Wi-fi是一个无线网路通信技术的品牌，由Wi-fi联盟（Wi-fi Alliance）所持有。目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。Wi-fi俗称无线宽带，是一种短程无线传输技术，能够在数百英尺范围内支持互联网接入的无线电信号。随着技术的发展，以及IEEE 802.11a 及IEEE 802.11g等标准的出现，现在IEEE 802.11 这个标准已被统称作Wi-fi。从应用层面来说，要使用Wi-fi，用户首先要有Wi-fi兼容的用户端装置。

Wi-fi技术突出的优势在于：其一，无线电波的覆盖范围广，半径则可达100米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。其二，传输速度非常快，可以达到11mbps，符合个人和社会信息化的需求。但在世界范围内Wi-fi技术却难以推广，主要原因是缺乏有效的商业模式使得大型运营商对这一模式不认可。一旦解决了运营商的互联互通，高收费，漫游性的问题，Wi-fi将来从一个成功的技术转化为成功的商业。许多家庭使用该项技术，随着数码娱乐设备的普及，Wi-fi技术的应用会更广泛。

3.大数据技术

现在市场上的智能家居产品具有大数据和智能学习系统支撑的很少。在“互联网+”背景下，大数据在细分市场的应用是重要发展方向。真正的智能化需要通过基于大数据的云计算来实现人工智能，从技术角度来说，任何一款智能家居产品离开大数据和智慧学习系统，都不能称之为智能家居。首先通过Wi-fi模块采集用户数据到云端。可以使用手机、笔记本、平板电脑上的USBor SDIO接口模块，或是典型的家用路由器，协议和驱动是借助Flash和Ram资源的芯片加Linux操作系统，也可以使用嵌入式Wi-fi模块，一般是32位单片机，内置Wi-fi驱动和协议，接口为一般的MCU接口如UART等。

另外，智能家居作为大数据的产生者，将会在云计算的支持下，给广大用户带来更多的利益，家居物联网传感系统在基于云平台的智能和远程控制的基础上，可为用户提供一系列基于云平台的扩展服务，如安防报警、移动医疗、智能停车、公共信息服务等，通过云平台，还可以将新闻渠道、购物平台、社交网络、数据分析等联系起来。

未来，要想让智能家居像人一样拥有生命和智慧，必须为智能家居注入大数据的收集、计算和人工智能的血液。

4.结论

智能家居是现代科技高度发展的产物，也是人类居住环境的必然需求。但是从行业数据分析，由于关键技术涉及方面多、技术新、规范化强的特点，需要突破的瓶颈依然很多。但是随着统一规范和标准、系统功能更加实用、以及成本和维护等方面不断改进，智能家居依然有很大的发展前景。

[1]张新昌,周逢权.智能电网引领智能家居及能源消费革新[J].电力系统保护与控制,2014(5)：59-67.

[2]朱敏玲,李宁.智能家居发展现状及未来浅析[J].电视技术,2015(4):82-85.

[3]邓昀,程小辉.面向物联网的智能家居系统设计[J].桂林理工大学学报,2015(2):259-264.

[4]王怡,鄂旭.基于物联网无线传感的智能家居研究[J].计算机技术与发展,2015(2):234-236.

注：本文资助项目：北京市级大学生科学研究与创业行动计划（项目编号201710011157）。

张家辉（1997—），北京人，本科生，就读于北京工商大学计算机与信息学院。

李文，山东德州人，博士，副教授，研究方向为电子技术应用。