基于无线通信技术的智能家居系统的硬件方案设计

云南中医学院信息技术学院 杨福华 杨 宏 张喜成 刘妹萍 崔茂应

基于无线通信技术的智能家居系统的硬件方案设计

云南中医学院信息技术学院 杨福华 杨 宏 张喜成 刘妹萍 崔茂应

本研究针对智能家居市场前景及国内外发展现状进行了综述，重点阐述了单片机技术、ZigBee无线通信技术、嵌入式技术及在智能家居系统中发挥的优势作用。最后对智能家居系统未来发展进行了展望。

无线通信；智能家居；硬件；设计

随着传感器技术、RFID射频技术和嵌入式技术的深入发展，物联网成为了国内外研究的热点，掀起了继计算机、互联网的信息产业第三大浪潮。物联网被认为是继互联网之后最重大的科技创新之一，它作为全球关注的热点战略性新兴产业在我国已经上升为国家战略，被写入“十二五”规划[1]。随着计算机技术与通讯技术的飞速发展，“智能”已经融入到人们的生活中，作用越来越明显，从智能手机的诞生到现在智能家居的开发，人们越来越注重生活质量，对住宅的要求也越来越高，已不满足于单纯的居住功能，“智能”将会加速改变我们的生活状态，改变我们的商业思维，改变互联网产业。在物联网生活环境下，用户可以随时通过职能设备获取想要的服务。智能家居作为物联网中的一项新应用领域，成为专家学者、研发机构、公司等的研究热点，物联网给智能家居的发展带来了崭新的发展机遇[2]。

传统的家居系统已逐渐跟不上时代的步伐，已不能满足人们对高品质生活的需求，一批新兴的无线传感器网络技术给智能家居的发展带来了新的曙光，追求安全、舒适、方便、智能化的居住环境成为人们向往的家居对象。如何让人们可以更加便捷，更加随意的享受自己的家庭生活，让科技带来的成果给人们带来便利，因此，智能家居具有广泛的发展前景。

1.智能家居的定义

智能家居也被称之为智能住宅，英文名称为“Smart Home”。所谓的智能家居是自动化控制技术、现代电子技术及网络通信技术相结合的产物，通过综合采用先进的计算机，利用综合布线技术、网络通信技术和自动控制技术，依托住宅平台，建立一个由家庭安全防护、网络接入和防盗报警灯系统组成的家庭综合服务与管理集成系统，提升家居安全性、舒适性、便利性，从而实现“以人为本”的全新家居生活体验[3]。

2.智能家居国内外发展现状

2.1 智能家居国外发展现状

国外在很早的时候就有了智能家居的样本，研究起步较早，技术手段较为成熟。1984年，美国改造的第一幢智能建筑成为世界上最早的智能家居，随后许多经济发达的西方国家纷纷提出了各式各样的智能家居方案。第一幢智能建筑利用计算机技术实现了设备的监控和语音服务。随后智能家居被许多国家广泛应用，如韩国、日本、新加波等国家。新加坡推出的表抄送，安全系统宽带接入，电话接入，控制平台等智能家居系统较为有名，它的出现给智能家居的研究拓展了思维，设计思想素材得到了丰富积累。IBM公司也曾联合意法半导体，为了最大程度解决行动不便的人提供便利，推出了通过手势与语音识别命令的云端智能家居系统[4]。从此，智能家居生活成为了现实，智能家居市场也迅速成熟起来。

根据statista美国智能家居行业的调查数据显示，2016年智能家居市场广阔，需求庞大，市场容量稳步增长，美国以97.125亿美元的市场容量成为全球最大的智能家居国家。美国智能家居不再满足功能上的自动化，打造舒适、健康、环保、安全、娱乐为一体的智能理念。

智能家居作为战略性新兴产业，得到了许多知名公司的青睐与关注，许多知名公司也开始大力研发智能家居产品，并且推出了一些功能比较全面的产品，比如 IBM 的“家庭主任”、Motorola 旳“居所之门”、微软的“梦幻之家”等，给更多的人生活带来了便利，人们对智能家居产品充满了期待[5]。

三星公司提出的智能家居解决方案是韩国最具代表性的企业，该系统通过机顶盒和网络，将家居自动化控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信息中心这四部分集成一个全面的、面向宽带互联网的家居控制网络[6]。

西班牙智能家居系统设计与其他国家相比特色鲜明，艺术氛围浓厚，与众不同的设计吸引很多国家效仿。它将传统欧式风格的建筑内进行智能化家居系统的升级改造，充满了便利、舒适、柔和的艺术气息。

智能家居在市场上占据了一定的规模， 2015年市场成交量高达485亿美元，增速较以前相比趋势渐缓，但每年仍有80亿美元左右的成交量在稳步提升。根据GfK报告表明，未来几年智能家居将会对人们的生活产生直接的影响。

2.2 智能家居国内研究现状

智能家居市场随着我国经济的快速发展，人民生活水平的不断提升，在中国的市场具有良好的发展前景。这就导致越来越多的公司，甚至知名企业在市场需求这只无形大手的推动下，开始投入大量的财力和人力来研发智能家居。近年来，人们的生活中逐渐开始接受和使用智能电器和智能软件。过去国内生产的智能家居产品成本高，拼凑严重的标签慢慢淡化，用户体验较过去相比有了大幅度的改善。我国企业自主研发的海尔的U-home家庭和清华同方的ehome数字家园受到了很多用户的青睐和赞赏[7]。

我国智能化家居起步相对较晚，豪华和高档的智能化住宅大多以国外成熟产品为主；但随着普通家居用户需求的增多，国内一些有实力和产品研究开发较成功的公司也正在逐渐占领一定份额的智能化家居市场，国内智能家居已走过将近20年的发展历程，根据发展历程大约分为四个阶段：

（1）第一个阶段（1994-2000）：这个阶段称为萌芽期，国内并没有一家专业的研究机构或公司从事智能家居的生产和研发，智能家居在人们的印象中仅仅只是概念产品。智能家居此时在中国是第一个发展阶段，此时称之为智能小区期，国内仅有一两家国外代理销售的公司，产品几乎只是销售给居住国内的外国人。

（2）第二个阶段（2000-2005）：开创期，国内开始注重完善技术培训体系，开始策划市场营销方案，五十多家智能家居自主研发生产企业先后在经济发达地区成立。此阶段，国内没有进口国外产品。

（3）第三个阶段（2006-2010）：与其说徘徊期不如说低迷期，上阶段智能家居市场得到了空前的发展，很多企业看到了良好的前景，此时市场出现了不正当竞争，给智能家居带来了很多负面影响：厂商只顾扩大生产规模，只想迅速占领市场，忽略了后期服务和对代理商的技术培训，导致代理商经营困难，纷纷开始转行，用户对售后满意度下降，开始摒弃智能产品；过分夸大宣传功能而实际体验的过程中无法达到这个效果。越来越多的用户开始质疑其效果，加之媒体由原来的大肆宣扬变为谨慎，很多代理商开始转行，市场销售开始走下坡路，加之国外的智能家居品牌不断涌入我国市场，国内部分企业开始将目光投向其他市场，许多企业在经过产品改良、缩减规模、人员调整等措施后也存活下来，找到了发展的方向。

（4）第四个阶段（2011-2020）：融合演变期，2011年以来，房地产市场势如破竹，加之政府宏观调控，发展非常迅速，智能家居市场也逐渐回暖，许多厂商看到了发展前景，加大了技术、资金投入，智能家居由徘徊期进入了新一轮的融合演变期。智能家居市场开始进入到相对稳定的发展阶段，为方便用户使用和后期维护，不同厂商之间的协议与技术标准开始主动互通和融合[8]。

为推动信息化、智能化城市发展，我国政府提出了大力发展宽带普及、宽带提速降费，加快推动信息消费持续增长扩大内需的若干意见，这都为智能家居、物联网行业的发展提供了强有力的保障。

3.基于无线通信技术的智能家居系统的硬件方案设计

3.1 硬件相关

ARM 是英国 ARM 公司提供的一种硬件技术，架构具有极高的性价比和代码密度，它是存在于互联网与家庭内部网络之间的节点，功耗低以及能够实时中断响应的优势让其在微处理器中更具优势，更有核心竞争力。ARM 架构目前成为智能家居系统中的首选平台。本系统无线传感网络节点的核心处理芯片选择了美国TI公司的CC2530芯片。

CC2530 芯片是 TI 公司出品的一款支持 ZigBee 2007 协议的无线射频单片机，能够兼容传统的 51 单片机，是专业的 ZigBee 应用芯片，有三个不同的存储器访问总线 SFR、DATA 和 CODE/XDATA。CC2530系统内可允许编程闪存，兼容增强型8051CPU和8-KB RAM具备的功能，二期还吸纳了RF 收发器良好性能。 CC2530 芯片的闪存容量为：32KB、64KB、128KB和256KB。CC2530芯片应用灵活方便，接通部门外接电路即可正常工作，且能够快速的在运行模式下灵活转换，被广泛应用于超低功耗限制的系统中[9]。任何中断指令都可以使闲置的CC2530 芯片恢复到主动模式。应用原理图如图1所示。

3.2 协议相关

ZigBee技术具有强大的组网能力，通过无线通信组成网络，依托一个独立的工作节点，可以组成星型、树型、网状网络3种拓扑结构，ZigBee 网络拓扑如图2所示。

图1 CC2530应用原理图

图2 ZigBee网络拓扑

星型拓扑结构组网简单，整个网络的建立和维护由中心节点ZigBee协调器负责，其他节点直接与中心节点进行通信。

簇状拓扑结构，网络的建立和维护由协调器负责，网络地址中的分配，可以延伸出很多分支和子分支，扩展需要借助ZigBee路由器，协调器与每个节点的通信需经过路由器后才能进行，但协调器不一定直接与网络中的每个节点进行通信。

网络拓扑结构比较灵活，节点之间的通信可以寻找最优路径进行，建立网络的时候不收网络形状限制。

ZigBee是建立在低功耗局域网技术标准IEEE802.15.4协议上。可以嵌入各种设备，它是一种便宜的、低功耗的近距离传输的无线网络协议，PHY和MAC遵循 IEEE802.15.4协议标准，在此基础上开发了NWK、TL和APL。ZigBee协议结构示意图如图3所示[10’11]。

图3 ZigBee协议结构示意图

3.3 嵌入式系统

嵌入式系统将软件固化集成到硬件系统中，软硬件可裁剪，是一种为特定应用而设计的完全嵌入受控器件内部专用计算机系统。伴随着互联网技术的发展，嵌入式技术应运而生，故能够提供更多的网络，性能较过去相比更加卓越。软件代码小、可靠性高、系统精简、专用性强、相应速度快等优点得到了越来越广泛的应用。

嵌入式系统通常用成本很敏感的特定专用设备上，有时对实时响应技术要求很高，且通常用在处理器、存储器等硬件资源非常有限的设备上。特别是物联网技术的发展，智能家居的广泛推广，嵌入式系统发挥的作用和效果显现得更加明显。

源代码公开，任何人都可以免费下载并且可以根据自己的特殊应用而随意修改是 Linux 嵌入式操作系统最大的特点，成为了人们较为喜欢的嵌入式操作系统。Linux 操作系统遵循 GPL协议，使得用户无需要缴纳许可证费，还可以在网络上使用许多源码开放的应用程序。[12]

uClinux是Lineo公司的主打产品，表示micro-Control-Linux，是针对目标处理器没有MMU的高度优化的、代码紧凑、体检小的嵌入式Linux系统而设计，被成功地移植到很多的平台上。具备稳定、良好的移植性、支持多款CPU、优秀的网络功能等优点，是开放源代码中很受欢迎的操作系统[13]。

3.4 嵌入式网关功能相关

嵌入式网关（中央控制器）作为本设计的核心，具有非常重要的作用，它的设计起到了关键性的作用。嵌入式网关的设计需考虑系统的稳定和高可靠性来保证系统具有良好的运行状态，系统的升级维护、扩展和兼容不容小觑，硬件平台在设计时还应充分考虑内部资源和外部扩充接口。此外，软件的设计与操作系统的选择与硬件平台的设计有着直接的影响。

嵌入式网关（中央控制器）相当于人的大脑，应具备强大的处理及控制能力，在设计时不仅要用实现ZigBee网络、因特网、移动网络三种网络之间的通信，还可以用来进行本地控制的功能，在处理器外围需扩展外围电路及接口，设计的目的用于触摸屏的数据显示和本地控制；与4G网络连接的GPRS无线模块；用于连接因特网的以太网接口；中央控制器能够正常工作需要的电源电路、存储模块及JTAG接口调试等。

3.5 智能设备控制及命令相关

本系统对中央控制器硬件结构的设计如图4所示：

图4 中央控制器硬件结构图

嵌入式微处理器有ARM、POWER PC、MIPS、和基于X86的386EX。是由通用计算机中的CPU演变而来，价格相对昂贵，除去冗余功能部分，能够以较低的功耗和资源实现特殊要求的嵌入式应用，性能较高。

电源电压：通过一个外置的5V电源适配器为中央控制器提供电源，则在核心处理芯片可得到3.3V的I/O 口电压和1.2V的内核电压。

ARM嵌入式微处理器现有的技术对时钟的稳定性、监控电源的可靠性有较高的要求，因为目前是通过提高主频来实现高的处理速率，通过技术工艺的更新生产尺寸更小的芯片或者降低工作电压来降低功耗来实现，这就导致嗓声门限较低，波纹抵抗力和瞬态响应能力都有所减低。

ARM系统常见的调试方式有指令集模拟器、Resident Monitors及JTAG仿真器。目前采用最多的一种方式实施JATG调试方式，基本原理是在器件内部定义一个测试访问口（TAP），通过监控引脚的信号达到芯片测试目的，还允许多个器件通过接口串联在一起，形成JATG链，实现对各个器件分别测试。

4.总结与展望

随着人们物质生活水平的快速提高，舒适、便利、环保成为人们追求美好生活充满了向往。高节奏的生活给人们带来的压力也越来越大，提高效率、提供更加优质服务、减少繁琐家务的智能化家居系统逐渐走入了普通家庭中。智能家居已经颠覆了人们家居的印象，已经展示出了非凡的应用价值，智能家居具有很大的市场空间，但技术和应用都谈不上成熟，大规模生产投入市场还尚需时日。目前当前的智能家居市场在经历“伪需求”、“体验冗余”、“入口误区”后，很多企业抓住了商机，加大了投入力度，推动了整个智能家居行业的快速发展，尤其是终端厂商、互联网公司、视频网站、运营商智能家居四大阵营，各种商业模式，将智能家居市场炒得风生水起，但与此同时，真正让消费者买单的产品却寥寥可数。当智能家居形成了一定行业规范，技术手段成熟，真正能够将科技成果造福社会、造福人类的时候，才能真正得到消费者的青睐，才能有更加广阔的市场空间，才能创新引领发展，科技赢得未来。

[1]韦义宏,粟能鑫,谢宗民.浅析无线技术在智能家居中的应用[J].中国科技投资,2013.

[2]王娟.基于ZigBee无线传感网络的智能家居系统设计与实现[J].

[3]林旭东.智能家居系统相关技术及发展趋势[J].科技创新导报,2008(6).

[4]杨栋,张建强,曹鹏,徐国祥.智能家居中体感技术的应用和前景[J].电视技术,2014,21:65-69.

[5]易强.基于3G和ZigBee 的智能家居无线传感网络系统设计与实现[D].广东工业大学,2012.

[6]Bull P,Llinb R,payne R.pervasive Home Environmellts[J].BT Technology Journal.2004,3(22):65-72.

[7]张小红.基于Android的无线智能家居系统设计与研究[D].电子科技大学,2016.

[8]千家网.2017国内外智能家居发展现状报告[EB/OL].http://smarthome.ofweek.com/

[9]王利琦.基于ZigBee技术的智能家居系统设计[D].吉林建筑大学,2015.

[10]赖联有.ZigBee协议分析及其实现.齐齐哈尔大学学报,2010,26(1):47-50.

[11]张奇松.尹航.Z-Stack剖析及其在无线测温网络中的应用.计算机系统应用,2009,2(10):103-105

[12]杨卓跃.基于ZigBee的无线智能家居系统设计[D].天津大学,2014.

[13]欧亚军.基于ZigBee技术的智能家居系统设计与实现[D].湖南大学,2013.

Hardware design of smart home system based on wireless communication technology

Yang Fu-hua，Yang Hong，Zhang Xi-cheng，Liu Mei-ping，Cui Mao-ying
(Yunnan University of Traditional Chinese Medicine，Yunnan Kunming，650500)

The research for the intelligent Home Furnishing market prospects and development situation at home and abroad were made，focusing on and play dominant role in the intelligent Home Furnishing system on chip technology，ZigBee wireless communication technology，embedded technology.Finally，the future development of smart home system is prospected.

Wireless communication；smart home；hardware；design

云南中医学院2017年度教育科学研究课题（项目号：ZD170204）。

杨福华，男，硕士，助教，研究方向：网络教育及教育技术应用。

崔茂应，男，副教授，主要研究方向为计算机系统结构。