盧 鵬

廣州城建職業(yè)學院，廣東 廣州 510925

1 無線網路與智能家居

智能家居是指將家居內部的各種家電設備、安防報警裝置、家庭娛樂設置等通過智能控制系統(tǒng)利用網絡連接起來。在智能家居系統(tǒng)中，各種家居設備與控制系統(tǒng)可實現(xiàn)相互協(xié)作、遠程控制的功能。與普通家居網絡系統(tǒng)相比，智能家居能實現(xiàn)網絡通信、接入外網遠程控制、家庭自動化、家庭娛樂、信息管理和家庭事務管理等功能。智能家居系統(tǒng)能增強家庭的防盜安全和消防安全，能幫助人們綜合利用時間，能提高人們家居生活的舒適性，還可以減少能源和資金的浪費，智能家居與家庭網絡離不開，傳統(tǒng)的智能家居網絡布線方式是有線網絡，但由于布線方式不方便，影響美觀的原因，無線網絡成了我們智能家居的必然趨勢。

無線網絡無需布線不會影響室內美觀，節(jié)約了綜合布的這方面的人力和物力，且組網靈活、快速等特點，非常適合家居網絡組網的要求。智能家居系統(tǒng)中，無線網絡使用己成為一種趨勢，各種新的無線局域網協(xié)議不斷研究出現(xiàn)，近年來所涌現(xiàn)的主要技術有802.11 系列無線局域網協(xié)議、Adhod、家庭射頻（HomeRF）標準、無線藍牙以及ZigBee等。

2 無線智能家居的系統(tǒng)的基本結構

2.1 無線智能家居網絡的層次結構

智能家居系統(tǒng)依據(jù)他所實現(xiàn)的不同功能可以劃分為感應層、信號網絡層、應用軟件層三個層次。感應層是智能家居網絡終端設備，包括安裝了無線通信模塊的電器設備，影音娛樂設備，溫濕度傳感器，紅外傳感器，照明設備和安防設備等。信號網絡層是智能家居的互聯(lián)設備，包括家庭內網和接入到Internet的外網。連接Internet 外網的無線網絡主要有GPRS網絡（2G）、CDMA網絡（3G）、LTE網絡（4G），家庭內網的網絡主要有有線以太局域網、WIFI無線局域網、ZigBee等。網絡層連接一臺數(shù)據(jù)庫服務器和一臺Web站點服務器。家庭數(shù)據(jù)網關的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫服務器進行數(shù)據(jù)交互；Web站點服務器通過訪問上述數(shù)據(jù)庫服務器獲取數(shù)據(jù)將信息，并通過Web站點發(fā)布到互聯(lián)網上，互聯(lián)網上的用戶可能過WEB平臺進行訪問智能家居內網的情況。應用軟件層包括了訪問WEB瀏覽器的終端上的使用的各種應用軟件，比加各種測控軟件、網絡服務軟件、應用程序等。

2.2 無線智能家居網絡的拓撲結構

無線智能家居網絡的拓撲結構由內外和外網構成，外網即Internet網絡，內網即家庭網絡。

智能網關是智能家居系統(tǒng)的核心控制部件，是網關與外網的通信交通通道，它嵌入了網頁訪問服務器和家庭內部網絡的網絡協(xié)調器，內網與外網通過它實現(xiàn)協(xié)議的轉換實現(xiàn)互聯(lián)。智能網關通過元線內部網絡與家庭網絡終端相互通信，外網用戶可通過Internet訪問Web服務器界面的應用軟件實現(xiàn)對內網的監(jiān)視與控制。拓撲圖如圖1所示。

3 智能家居無線網絡常用技術

智能家居系統(tǒng)中，無線組網技術主要包括GPRS/GSM，Wi-Fi802.11、UWB、藍牙（BlueTooth）和ZigBee等技術。GPRS主要應用在寬廣地區(qū)的間頻和數(shù)據(jù)，覆蓋范圍廣，適合遠距離傳輸。802.11系列協(xié)議標準有802.11a、802.11b、802.11g、802.11n等。這幾種不同的無線協(xié)議、都是由802.11演變而來的。802.11是IEEE最初制定的一個無線局域網標準，主要用于解決辦公室局域網和校園網中用戶與用戶終端的無線接入、802.11a工作在5.4G頻段、最高速率54兆、主要用在遠距離的無線連接、802.11b工作在2.4G頻段、最高速率11兆、逐步被淘汰、802.11g工作在2.4G頻段、最高速率54兆、802.11n最新無線標準、目前還不成熟、最高速率能到300兆，網絡的組建模能達到32個節(jié)點甚至更高。藍牙以通訊距離來在不同版本可再分為 Class A(1)/Class B(2)。Class B 是目前最流行的制式，通訊距離大約在 8m～30m之間，視產品的設計而定，耗電量和體積較細，方便攜帶是家庭設備到家庭網關之間無線接入非常有競爭力的標準。ZigBee技術是近年來發(fā)展的一種無線網絡通信技術標準，是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網絡協(xié)議，底層是采用IEEE802.15.4標準規(guī)范的媒體存取層與實體層。在藍牙技術的使用過程中，人們發(fā)現(xiàn)藍牙技術盡管有許多優(yōu)點，但仍存在許多缺陷。對家庭自動化控制而言，藍牙技術顯得太復雜，功耗大，距離近，組網規(guī)模太小等，自動化的控制需要實時的，可靠性高，而藍牙技術較能做到這一點，因此，經過人們長期努力，ZigBee協(xié)議在2003年正式問世。ZigBee的容量很大，網絡規(guī)?？蛇_65536個，傳輸距離能達到1000m，帶寬可達250KB。

4 ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)中的實現(xiàn)

ZigBee是一個低功耗的局域網協(xié)議，基于IEEE802.15.4。這個名稱來源來于蜜蜂的飛行八字舞，蜜蜂靠“嗡嗡”地抖動翅膀向同伴傳遞花所在的方位信息。

ZigBee就是依據(jù)蜜蜂飛行路徑的這個特征來開發(fā)的局域網協(xié)議。這種協(xié)議的特點是距離短，復雜度低、功耗低、傳輸率低。主要適用于自動和遠程控制領域，可嵌套入各種設備。基于這一協(xié)議的諸多優(yōu)點。ZigBee近年來被廣泛應用于智能家居等系統(tǒng)中。

在IEEE802.15中定義了兩種設備:簡化功能設備（RFD）和全功能設備（FFD）。在通信能力上，RFD只能與其關聯(lián)的FFD進行通信，而FFD不僅可以與其它FFD設備通信，還能與RFD之間通信。在一個ZigBee網絡中，必須有一個FFD充當網絡的協(xié)調器（PAN）。網絡協(xié)調器除直接參與應用外，還需要完成鏈路狀態(tài)信息管理成員、身份管理以及分組轉發(fā)等任務。根據(jù)智能家居網絡的需要，網絡的組網可以是一個FFD與多個RFD設備連接的星型網絡拓撲和全部是FFD設備的點到點網絡拓撲結構。

在星型網絡中，各個終端設備直接與網絡協(xié)調器進行關聯(lián)和數(shù)據(jù)傳輸，由中心的網絡協(xié)調器集中控制整理個網絡的開成以及數(shù)據(jù)的傳輸。

在點到點的網絡中，同樣也需要一個網絡協(xié)調器，和星型網絡結構不同的是，網絡中的所有設備可以和信號輻射范圍內的所有其它設備通信，這種P2P網絡結構形式我們稱為是一種自修復和自組織的形式，它可以通過多跳路由等實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸。

如圖1所示，整體系統(tǒng)主要由個人操作的人機界面、網絡協(xié)調器，以及家庭內部各種家電設備等網絡終端組成。由FFD組成的網絡協(xié)調器負責接入內部無線網絡，并對家庭內部網絡數(shù)據(jù)進行處理。

RFD或FFD節(jié)點單元主要包括射頻收發(fā)模塊、傳感器或受控終端以及兩者之間的接口控制模塊。射頻收發(fā)模塊作為系統(tǒng)中各網絡的通信接口，進行網絡中各節(jié)點設備網絡無線連接和無線數(shù)據(jù)或指令的收發(fā)。系統(tǒng)的終端傳感主要是進行環(huán)境溫度，濕度的采集以及對網絡家電的控制。

目前市場上主要ZigBee芯片提供商（2.4GHZ），主要有:TI/CHIPCON、EMBER(ST)、JENNIC（ 捷 力 ）、FREESCALE、MICROCHIP等，其中美國的德州儀器公司是全球著名的半導體公司，作為ZigBee技術聯(lián)盟的發(fā)起者和主要成員之一，其子公司CHIPCON公司是業(yè)界領先的ZigBee無線解決方案供應商。

德州儀器公司針對ZigBee無線傳感網絡的應用提供了完整的軟硬件解決方案。智能設備節(jié)點推薦使用TI/CHIPCON公司的CC2430綜合解決方案作為主要硬件平臺，CC2430模塊中除了ZigBee收發(fā)模塊之外，還包含了一個具有較高處理能力的MCU內核，單片機根據(jù)預先寫入的程序，采集傳感器信息、轉發(fā)命令和狀態(tài)信息，通過繼電器控制家居設備的工作。

5 結論

由于人們的生活水平及信息化水平的不斷提高，智能家居這一新技術使用正進入千家萬戶中，ZigBee無線局域網協(xié)議由于其距離短，復雜度低、功耗低、傳輸率低并具有自修復和自組織的特點明顯優(yōu)越于其它無線局域網協(xié)議，CC2430芯片則是實現(xiàn)ZigBee協(xié)議的很好的硬件支撐，隨著無線網絡及智能家居的普及發(fā)展，我們期待更先進的智能家居無線局域網協(xié)議和更價廉物美的硬件支撐設備的出現(xiàn)。

[1]陸冬磊.無線網絡ZigBee技術在智能家居中的應用[J].電腦知識與技術，2010，12.

[2]尹應鵬.基于CC2430的ZigBee無線數(shù)傳模塊的設計和實現(xiàn)[J].電子元器件表用，2008，4.