智能家居网络的架构及功能

2018-07-16严凌

电子技术与软件工程 2018年10期

文/严凌

1　智能家居网络架构的选择

目前，在智能家居领域中，常用的组网形式有两种，一种是有线组网，另一种是无线组网。由于前者的稳定性较高、通信速率快，加之技术成熟，从而使其在智能家居网络构建中得到了广泛应用。然而，在实际应用中发现，这种组网技术方式，需要进行复杂的线路布设，整体灵活性相对较差，不便于网络扩展。而无线组网方式的出现，弥补了这些缺陷，其为智能家居的发展提供了强有力的技术支撑。在智能家居系统中，可以替代有线组网的无线组网技术有以下几种：一是红外技术。这是一种短距离通信标准，利用红外线完成数据传输，由于红外线的传输距离相对较短（最远距离约为10m左右），并且在数据通信的过程中，需要无障碍通道，所以该技术仅仅能够完成点到点的无线通信，很难满足物联网的应用要求。二是蓝牙技术。从传输距离上看，蓝牙可以达到60m左右，虽然能够在智能家居系统中应用，但从整体效果上看却比较一般。三是Wi-Fi技术。这是一种应用较为广泛的无线通信技术，也是目前使用最多的WLAN标准，其覆盖范围可以达到100m左右，最高的传输速率可达54Mbps。该技术的组网比较简单，灵活性强，但设备本身的功耗较大，不符合节能的要求。四是ZigBee技术。该技术自出现以来受到业内的普遍关注，对它的技术研发和应用始终都在持续不断地进行，并且取得了一定的成果。该技术有三个工作频段，采用的是直接序列扩频技术，在常规工作频段下（2.4GHz）其数据传输速率能够达到250kbps，覆盖范围可以达到数百米，可以满足智能家居系统的数据传输要求。ZigBee具有非常强大的扩展能力，由此使其可连接的节点数量能够达到上万个。鉴于此，在智能家居系统的设计中，可以利用无线组网技术进行网络架构的建立，从而实现相关的控制功能。

2　智能家居网络系统功能的实现

由上文分析可知，在智能家居网络架构的选择上，应以无线组网方式作为首选，故此下面基于ZigBee技术对智能家居网络系统功能的实现进行分析。

图1：系统架构示意图

2.1　系统总体方案

本文所提出的智能家居网络系统由以下几个部分组成：主控制器、协调器、温湿度传感器、照明开关节点等。系统架构如图1所示。

在该系统中，各个功能模块负责从相关节点采集信号，通过ZigBee协议与协调器之间进行数据通传输。在主控器的设计中，运用嵌入式技术，可使远程PC机发出Http请求，对智能家居的状态进行查询，同时显示温湿度及照明开关的情况，通过发送相关的操控指令，对智能家居进行控制。

2.2　网络拓扑结构

本系统是基于ZigBee进行构建的，在ZigBee中，可以选用的网络拓扑结构有两种，一种是点对点，另一种是星型。由于前者的网络结构形式较为复杂，在设备分布较广的系统比较适用，并不适合在智能家居系统中应用。而后者适合小范围的室内应用，如家居自动化等。它的核心是网络协调器，在星型网络中，所有的设备只能与协调器进行通信，构建这种网络形式时，建立协调器是关键环节，网络协调器需要为网络选择唯一的标识符，处于星型网络当中的全部设备，都需要通过这个标识符对自己的隶属关系进行规定。本系统在网络拓扑结构设计中，选用星型网络。

2.3　系统主要功能

本系统具备温湿度检测、电器设备控制、数据显示等功能。在温湿度检测方面，主要是借助传感器来实现相关的功能，如测量家居的温湿度，设定报警值，当采集到的温湿度数据超过预先设定好的报警值时，系统便会发出报警信息，提醒用户查看；对电器设备的控制则是按照高低电平，判断设备的状态，分析设备处于开启或是关闭，并将结果通过Web服务器传给用户；在数据显示上，可以按照用户的选择，对室内温湿度、空调设备以及照明开关等状态信息，显示在客户端网页和主控制器的液晶显示屏上。

2.4　无线模块设计

在本系统中，无线模块的设计是关键环节，无线传感器网络由以下几个部分组成：传感器模块、数据传输与处理模块、电源模块等。其中传感器主要负责对监控区域范围内温湿度进行采集，然后转换成数据形式，传给主控制器。在数据处理与传输模块的设计中，选用JN5121系列模块，该模块具有32位RISC核心，集成ROM和RAM，由此可实现无线传感器网络的低成本构建。温湿度传感器模块选用的是国外某知名公司的产品，该传感器具有响应速度快、抗干扰能力强等特点，可进行数字式输出，测量精度较高。电源模块以碱性电池作为供电电源，采用稳压芯片，该芯片具有可调压功能。