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智能家居系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

鄭州市第一中學(xué) 張?jiān)坪?/p>

智能家居隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及受到了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，它能夠?qū)⒓彝ブ械母鞣N電子設(shè)備進(jìn)行連接，并進(jìn)行信息交換，從而達(dá)到智能控制家居生活的目的。本文在智能家居的背景下，對其中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行研究；并在此基礎(chǔ)上對其中的短距離無線通信技術(shù)進(jìn)行分析與對比，指出各種無線通信技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，并對其在智能家居中的應(yīng)用提出建議，對其發(fā)展前景進(jìn)行展望。

智能家居；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；無線通信技術(shù)

一、引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及，智能家居作為其中的一種重要應(yīng)用受到人們的關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)可以看做是能夠進(jìn)行物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)通常重點(diǎn)關(guān)注于人與人之間的溝通，而忽視了人與物以及物與物之間的信息交換，物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了這一空缺。 物聯(lián)網(wǎng)是將各種傳感設(shè)備及系統(tǒng)（如房間的溫度、濕度信息等）通過短距離的通信技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)相連接，從而將各個地方的信息進(jìn)行匯總并進(jìn)行相應(yīng)的處理。也就是說，物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)在物理方面上的擴(kuò)展，它通過各種通信感知技術(shù)將信息進(jìn)行傳遞與融合。

智能家居系統(tǒng)是以人們居住的住宅作為平臺，將家中的各個設(shè)備連接到一起，并通過設(shè)備之間的有效配合實(shí)現(xiàn)家庭生活的自動化管理。智能家居不僅僅能夠?qū)⒓彝?nèi)部的設(shè)備進(jìn)行有效的連接，也能夠通過家庭網(wǎng)關(guān)將得到的信息與Internet相連，從而與家庭外部的設(shè)備進(jìn)行相互交流。智能家居系統(tǒng)由許多子系統(tǒng)組成，包括控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)等，其中網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)是將家居中各種設(shè)備以及設(shè)備與外部進(jìn)行連接的關(guān)鍵，是智能家居中的關(guān)鍵子系統(tǒng)。隨著技術(shù)的發(fā)展以及人們需求的增多，目前的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)正在逐漸向無線高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较虬l(fā)展，從而有效的解決海量數(shù)據(jù)的傳輸問題[1]。

二、智能家居的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前智能家居已經(jīng)受到人們的關(guān)注，而大量的智能家居產(chǎn)品也隨之產(chǎn)生，逐漸滲入人們的生活。目前室內(nèi)安裝的智能家居產(chǎn)品通常由控制節(jié)點(diǎn)以及終端設(shè)備兩部分組成。其中終端設(shè)備就是直接能夠用來服務(wù)用戶、與用戶進(jìn)行交互的產(chǎn)品，例如電視等；而控制節(jié)點(diǎn)則用來對終端設(shè)備進(jìn)行控制，使其產(chǎn)生能夠滿足用戶需求的反應(yīng)，例如機(jī)頂盒等。其中，控制通信通?？煞譃閮刹糠?，分別是與終端設(shè)備進(jìn)行通信以及與上層的互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信，因此對于設(shè)備的控制命令可在室內(nèi)發(fā)出，也可在室外通過Internet 等遠(yuǎn)程控制方式發(fā)送到相應(yīng)設(shè)備中。

在傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)中各種應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)部可以實(shí)現(xiàn)信息的傳遞， 而未來的智能家居需要各個設(shè)備之間進(jìn)行有效的連接，因此需要進(jìn)行大量的信息傳輸，傳統(tǒng)的信息傳輸采用的都是有線的方式，缺點(diǎn)有兩方面，一是需要布線，安裝復(fù)雜；二是當(dāng)系統(tǒng)中的設(shè)備數(shù)目不斷增多時(shí)，所需要的傳輸線數(shù)目也隨之增多，從而導(dǎo)致成本變高。因此，傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)無法滿足要求，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)興起。

三、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要由傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)構(gòu)成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個傳感器協(xié)調(diào)配合，以獲得大量的信息，通過無線傳輸協(xié)議對這些信息進(jìn)行無線傳輸，最終進(jìn)行相應(yīng)的處理，其結(jié)構(gòu)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)以及終端設(shè)備三大部分[2]。

傳感器節(jié)點(diǎn)分布于網(wǎng)絡(luò)的各個部分，用于收集數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的匯聚節(jié)點(diǎn)中。通常由于傳感器節(jié)點(diǎn)要隨機(jī)的布置在面積很大的檢測區(qū)域中，不能始終保持在充電的狀態(tài)，而匯聚節(jié)點(diǎn)由于所處位置固定，可以隨時(shí)補(bǔ)充能量。因此，目前大部分的信息處理工作都是在匯聚節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行的。匯聚節(jié)點(diǎn)將傳感器檢測到的信息進(jìn)行收集和處理之后，可以通過常用的Internet網(wǎng)絡(luò)或者衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇K端設(shè)備，并進(jìn)行后續(xù)的處理工作。

1.傳感器技術(shù)

傳感器能夠檢測到對應(yīng)的信息，并且將該信息轉(zhuǎn)化為電信號或者其它容易測量的信號進(jìn)行輸出。通過傳感器能夠快速準(zhǔn)確的獲得需要的信息，它有時(shí)甚至比人的感官更加靈敏。在智能家居系統(tǒng)中，需要用到大量的信息，如環(huán)境的溫度、濕度、有害氣體濃度等，而傳感器可以檢測到這些信息，并將這些信息轉(zhuǎn)化為電信號。最后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將這些模擬的電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號傳遞到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步的處理，從而實(shí)現(xiàn)對家用電器等設(shè)備的控制。

2.遠(yuǎn)程控制技術(shù)

遠(yuǎn)程控制技術(shù)就是利用一臺終端（如電腦、手機(jī)等）遠(yuǎn)距離控制另一臺終端的技術(shù)，在智能家居系統(tǒng)中通常采用互聯(lián)網(wǎng)方式，其具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，通過電腦或手機(jī)等終端能夠連接到家庭網(wǎng)關(guān)中，而家中各個設(shè)備的信息可以通過通信技術(shù)與家庭網(wǎng)關(guān)相連，最終實(shí)現(xiàn)了終端與設(shè)備之間的連接，從而進(jìn)行信息獲取以及遠(yuǎn)程的控制[3]。

3.無線通信技術(shù)

在智能家居系統(tǒng)的家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中，通過家庭網(wǎng)關(guān)交互的信息主要分為控制信息和數(shù)據(jù)信息兩大類?？刂菩畔⒅傅氖菍τ谀承┰O(shè)備的控制信號，例如電燈的開關(guān)、窗簾的開合等，由于需要傳送的信息較簡單，因此對信號的傳輸速率要求較低，但是它要求傳輸信息的可靠性較高。而數(shù)據(jù)信息主要指的是一些多媒體信息，如圖像、視頻等，由于此時(shí)傳輸?shù)男畔⑤^為復(fù)雜，因此與控制信息相比，它對信息的傳輸速率要求高，而在傳輸?shù)目煽啃陨喜]有那么高。無線通信技術(shù)目前在各個方面已經(jīng)有了很多應(yīng)用，而在智能家居中，所用的無線通信距離不需要太長，因此接下來對常見的短距離無線通信技術(shù)進(jìn)行比較與分析。1）紅外通信技術(shù)利用紅外線來進(jìn)行無線傳輸，目前其信息傳送速率可達(dá)到16Mbps[4]。由于紅外線具有直射的性質(zhì)，因此當(dāng)兩設(shè)備之間不存在遮擋時(shí)，能夠達(dá)到較好的通信效果，但是當(dāng)兩設(shè)備之間存在障礙時(shí)，則無法進(jìn)行正常的信息傳輸。紅外通信技術(shù)能夠進(jìn)行通信的距離通常較短，只有1m左右。因此它具有成本低、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在通信距離段以及對于遮擋物的要求較高等缺點(diǎn)，智能家居中僅用該技術(shù)無法滿足信息傳輸?shù)囊?，但是可以用其進(jìn)行一些家電（如電視、電腦等）的控制。2）藍(lán)牙能夠進(jìn)行一對一或者一對多的設(shè)備通信，其中，1個主設(shè)備最多能夠與7個子設(shè)備通過藍(lán)牙進(jìn)行信息傳遞，目前它的傳輸速率可達(dá)到30Mbps，它在一定程度上克服了紅外通信技術(shù)無法滿足的障礙物遮擋問題，當(dāng)設(shè)備之間存在一定的障礙物時(shí)，仍可以進(jìn)行信息交流，但是它的成本較高并且功耗大，因此在智能家居中智能用于部分設(shè)備的通信。3）Zigbee技術(shù)是在藍(lán)牙技術(shù)上的發(fā)展，一個主設(shè)備中可以連接255個設(shè)備，組網(wǎng)規(guī)模較大，能夠支持大量智能家居中各種設(shè)備的接入。Zigbee技術(shù)的工作頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）、915MHz（美國），其中在2.4GHz頻段的通信速率為10～250kbit/s，通信距離在10～100米[5]。由于Zigbee功耗低、可靠性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合用于智能家居，同時(shí)由于其通信速率的限制，可以進(jìn)行控制信息的發(fā)送與傳輸。4）Wi-Fi是一種允許電子設(shè)備連接到一個無線局域網(wǎng)的技術(shù)，連接到無線局域網(wǎng)通常是有密碼保護(hù)的，但也可是開放的，這樣就允許任何在WLAN范圍內(nèi)的設(shè)備可以連接上。雖然Wi-Fi技術(shù)的通信質(zhì)量較差，但傳輸速度高達(dá)54Mbps，由于其通信速率的優(yōu)勢，適合用于智能家居中數(shù)據(jù)信息的傳輸。對以上四種短距離的無線通信技術(shù)進(jìn)行對比分析可以得出，在智能家居方面控制信息適合采用Zigbee技術(shù)；而對于數(shù)據(jù)信息，由于數(shù)據(jù)量較大適合采用Wi-Fi方式進(jìn)行傳輸。因此，對于一般家庭用戶，由于對信息安全要求不是特別高，可采用wif技術(shù)；對于數(shù)據(jù)質(zhì)量、信息安全要求較高的用戶可采用基于多種通信技術(shù)融合的方式。

四、結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，智能家居已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)實(shí)。由于在智能家居中將多個設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)，因此需要進(jìn)行海量的數(shù)據(jù)傳輸。在此基礎(chǔ)上，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到迅猛的發(fā)展，其中無線通信技術(shù)是重要的組成部分。本文對常用的短距離無線通信技術(shù)進(jìn)行了研究及對比，總結(jié)了它們的優(yōu)點(diǎn)及缺點(diǎn)，并以此為基礎(chǔ)討論了其在智能家居中的應(yīng)用。在使用過程中，如何融合不同的通信技術(shù)，增強(qiáng)無線傳送信號的傳輸速率、安全性以及穩(wěn)定性是未來應(yīng)用中的主要研究內(nèi)容。

[1]徐東方,胡仁杰．基于無線網(wǎng)絡(luò)的職能節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J],電氣時(shí)代．

[2]王園,劉寶霞．基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居安防系統(tǒng)探討[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016,(20):46．

[3]包衣勤．基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的研究與探討[J]．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2013,(7):38-41．

[4]文俊峰,張文愛,王成等．多接口數(shù)據(jù)通訊模塊的研究與設(shè)計(jì)[J]．微計(jì)算機(jī)信息,2007(11):143-145．

[5]潘偉,黃東．基于Zigbee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究[J]．計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2008,18(9):244-247．