北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 李 文 張家輝 魏 彤 羅浩東 尚經(jīng)開

智能家居發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)探討

北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 李 文 張家輝 魏 彤 羅浩東 尚經(jīng)開

智能家居是目前研究的熱點(diǎn)，是多學(xué)科交叉發(fā)展的成果。本文主要介紹了家庭互聯(lián)網(wǎng)、無線通信和大數(shù)據(jù)等關(guān)鍵技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的作用，以及這些技術(shù)在發(fā)展過程中的技術(shù)規(guī)范。以現(xiàn)代高科技為主的智能家居，已經(jīng)成為社會信息化發(fā)展的重要組成部分。

智能家居；互聯(lián)網(wǎng)；無線通信；大數(shù)據(jù)

引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的快速發(fā)展，人類對居住條件的智能化要求越來越迫切，高效、舒適、安全的家居環(huán)境需要嵌入式、無線傳感器、互聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程通信、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的綜合支持。智能家居于1984年由美國聯(lián)合科技公司首次提出，我國則從本世紀(jì)初以來迅速發(fā)展，現(xiàn)代的智能家居通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中的各種設(shè)備(如音視頻設(shè)備、照明系統(tǒng)、窗簾控制、空調(diào)控制、安防系統(tǒng)、數(shù)字影院系統(tǒng)、影音服務(wù)器、影柜系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)家電等)連接到一起，提供家電控制、照明控制、電話遠(yuǎn)程控制、室內(nèi)外遙控、防盜報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測、暖通控制、紅外轉(zhuǎn)發(fā)以及可編程定時(shí)控制等多種功能和手段。

1.家庭互聯(lián)網(wǎng)的建立與規(guī)范

智能家電終端的物理連接對家庭聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在帶寬性能、QoS保證以及使用便捷上提出了更高的要求，目前在數(shù)字家庭組網(wǎng)中常見的互聯(lián)技術(shù)主要分為有線和無線兩種方式，有線方式包括電話線（HomePNA），以太網(wǎng)（IEEE802.3，802.3u）、串行總線（USB1.1，USB2.0，IEEE1394）等，無線方式包括無線局域網(wǎng)（IEEE802.11a，IEEE802.11b）、家庭射頻（HomeRF）、藍(lán)牙（802.15）、紅外（IrDA）等。

智能家居系統(tǒng)的核心技術(shù)是家庭網(wǎng)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部網(wǎng)互聯(lián)、信息存儲、設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)計(jì)算以及和外部的連接。家庭網(wǎng)關(guān)的協(xié)議分為5層。第1層（物理媒體）和第2層（底層協(xié)議）的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)頒布并實(shí)行，第3層（應(yīng)用程序接口）是關(guān)鍵技術(shù)，也是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，第4層（應(yīng)用程序）可根據(jù)功能的需求開發(fā)各種應(yīng)用程序，第5層是最終用戶接口，包括遙控接口、通用軟件接口等，目前還沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

2.無線通信技術(shù)

無線通信是指利用電磁波信號進(jìn)行信息傳播和交換的一種通信方式，主流技術(shù)包括Zigbee、GSM、IR、藍(lán)牙、Wi-fi等。這些技術(shù)的不同點(diǎn)主要體現(xiàn)在調(diào)制方式、適用頻段、通信距離和數(shù)據(jù)率等方面。Wi-fi和藍(lán)牙技術(shù)都以“短小精悍”在智能應(yīng)用上而著稱。Wi-fi因開發(fā)應(yīng)用簡單方便，成本低廉，在家庭、公共場所等覆蓋較廣,可以用于很多智能家居設(shè)備中，也可以嵌入到其它設(shè)備中，是應(yīng)用最為廣泛的一種通信技術(shù)，如醫(yī)療監(jiān)控設(shè)備、樓宇控制系統(tǒng)等；藍(lán)牙技術(shù)一種在可移動設(shè)備中應(yīng)用較廣的無線通信技術(shù)，如移動電話、耳機(jī)、筆機(jī)本、平板電腦等。藍(lán)牙技術(shù)設(shè)備體積小，便于攜帶或移動，成本低廉，目前也可應(yīng)用于信息家電、嵌入式應(yīng)用開發(fā)等諸多領(lǐng)域。

而Zigbee和Z-Wave技術(shù)雖然開發(fā)難度比Wi-fi和藍(lán)牙技術(shù)要大，但在智能家居應(yīng)用中更為穩(wěn)定、成熟。Zigbee是智能領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的無線通訊技術(shù)，可廣泛用于智能家居、智能穿戴、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)控制等。目前，Zigbee聯(lián)盟在全世界規(guī)模要比其他幾種技術(shù)聯(lián)盟要大得多，成員分布多個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)，如智能家居行業(yè)有知名的物聯(lián)傳感，電子設(shè)備商有華為等；Z-Wave最初是專門應(yīng)用于智能家居的一種新興的基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網(wǎng)絡(luò)的短距離無線通信技術(shù)。隨著智能領(lǐng)域的發(fā)展，Z-Wave技術(shù)設(shè)計(jì)逐漸可用于住宅、照明商業(yè)控制以及狀態(tài)讀取應(yīng)用，例如抄表、照明及家電控制、HVAC、接入控制、防盜及火災(zāi)檢測等。

2.1 Zigbee技術(shù)

ZigBee技術(shù)介于無線標(biāo)記和藍(lán)牙之間，主要用于近距離無線連接。依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee協(xié)議，可以在多個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器，因此通信效率非常高。一般而言，隨著通信距離的增大，設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型體系結(jié)構(gòu)包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)等。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，和其它路由節(jié)點(diǎn)一樣，也負(fù)責(zé)路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并且維持ZigBee網(wǎng)絡(luò)。通過網(wǎng)絡(luò)自組織和多跳路由，將數(shù)據(jù)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送。

2.2 無線射頻技術(shù)

無線射頻技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線通信技術(shù)。通過高頻的無線頻率（315或433.92，868，915 MHz等）點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，實(shí)現(xiàn)燈光、窗簾、家電等的遙控功能。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是部分產(chǎn)品無需重新布線，利用點(diǎn)對點(diǎn)的射頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對家電和燈光的控制，安裝設(shè)置都比較方便，無須預(yù)先布線，不會破壞原有家居的美觀。無線射頻技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線通信技術(shù)。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是部分產(chǎn)品無需重新布線，利用點(diǎn)對點(diǎn)的射頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對家電和燈光的控制，安裝設(shè)置都比較方便，主要應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)對某些特定電器或燈光的控制，成本適中。這類系統(tǒng)功能比較弱，控制方式比較單一，且易受周圍無線設(shè)備環(huán)境特別是同頻及阻礙物干擾和屏蔽；較適用于新裝修戶和已裝修戶。

這也就是我們家庭網(wǎng)絡(luò)中所提到的有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在沒有布線的情況下也可以搭建家庭局域網(wǎng)。而無線射頻技術(shù)也就是通過高頻的無線頻率（315或433.92MHz）點(diǎn)對點(diǎn)傳輸，實(shí)現(xiàn)燈光、窗簾、家電等的遙控功能。這類技術(shù)對于已經(jīng)裝修好了的用戶非常適用，無須預(yù)先布線，不會破壞原有家居的美觀。使用基于無線射頻技術(shù)的產(chǎn)品，就可以將家里所有的電器串成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，我們這里稱它為智能家居無線網(wǎng)絡(luò)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，我們可以隨意遙控，讓每個(gè)冷冰冰的電器都聽命于我們。

2.3 Wi-fi技術(shù)

Wi-fi是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備（如PDA、手機(jī)）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)。Wi-fi是一個(gè)無線網(wǎng)路通信技術(shù)的品牌，由Wi-fi聯(lián)盟（Wi-fi Alliance）所持有。目的是改善基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性。Wi-fi俗稱無線寬帶，是一種短程無線傳輸技術(shù)，能夠在數(shù)百英尺范圍內(nèi)支持互聯(lián)網(wǎng)接入的無線電信號。隨著技術(shù)的發(fā)展，以及IEEE 802.11a 及IEEE 802.11g等標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，現(xiàn)在IEEE 802.11 這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已被統(tǒng)稱作Wi-fi。從應(yīng)用層面來說，要使用Wi-fi，用戶首先要有Wi-fi兼容的用戶端裝置。

Wi-fi技術(shù)突出的優(yōu)勢在于：其一，無線電波的覆蓋范圍廣，半徑則可達(dá)100米，辦公室自不用說，就是在整棟大樓中也可使用。其二，傳輸速度非?？?，可以達(dá)到11mbps，符合個(gè)人和社會信息化的需求。但在世界范圍內(nèi)Wi-fi技術(shù)卻難以推廣，主要原因是缺乏有效的商業(yè)模式使得大型運(yùn)營商對這一模式不認(rèn)可。一旦解決了運(yùn)營商的互聯(lián)互通，高收費(fèi)，漫游性的問題，Wi-fi將來從一個(gè)成功的技術(shù)轉(zhuǎn)化為成功的商業(yè)。許多家庭使用該項(xiàng)技術(shù)，隨著數(shù)碼娛樂設(shè)備的普及，Wi-fi技術(shù)的應(yīng)用會更廣泛。

3.大數(shù)據(jù)技術(shù)

現(xiàn)在市場上的智能家居產(chǎn)品具有大數(shù)據(jù)和智能學(xué)習(xí)系統(tǒng)支撐的很少。在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，大數(shù)據(jù)在細(xì)分市場的應(yīng)用是重要發(fā)展方向。真正的智能化需要通過基于大數(shù)據(jù)的云計(jì)算來實(shí)現(xiàn)人工智能，從技術(shù)角度來說，任何一款智能家居產(chǎn)品離開大數(shù)據(jù)和智慧學(xué)習(xí)系統(tǒng)，都不能稱之為智能家居。首先通過Wi-fi模塊采集用戶數(shù)據(jù)到云端?？梢允褂檬謾C(jī)、筆記本、平板電腦上的USBor SDIO接口模塊，或是典型的家用路由器，協(xié)議和驅(qū)動是借助Flash和Ram資源的芯片加Linux操作系統(tǒng)，也可以使用嵌入式Wi-fi模塊，一般是32位單片機(jī)，內(nèi)置Wi-fi驅(qū)動和協(xié)議，接口為一般的MCU接口如UART等。

另外，智能家居作為大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生者，將會在云計(jì)算的支持下，給廣大用戶帶來更多的利益，家居物聯(lián)網(wǎng)傳感系統(tǒng)在基于云平臺的智能和遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)上，可為用戶提供一系列基于云平臺的擴(kuò)展服務(wù)，如安防報(bào)警、移動醫(yī)療、智能停車、公共信息服務(wù)等，通過云平臺，還可以將新聞渠道、購物平臺、社交網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分析等聯(lián)系起來。

未來，要想讓智能家居像人一樣擁有生命和智慧，必須為智能家居注入大數(shù)據(jù)的收集、計(jì)算和人工智能的血液。

4.結(jié)論

智能家居是現(xiàn)代科技高度發(fā)展的產(chǎn)物，也是人類居住環(huán)境的必然需求。但是從行業(yè)數(shù)據(jù)分析，由于關(guān)鍵技術(shù)涉及方面多、技術(shù)新、規(guī)范化強(qiáng)的特點(diǎn)，需要突破的瓶頸依然很多。但是隨著統(tǒng)一規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)功能更加實(shí)用、以及成本和維護(hù)等方面不斷改進(jìn)，智能家居依然有很大的發(fā)展前景。

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注：本文資助項(xiàng)目：北京市級大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動計(jì)劃（項(xiàng)目編號201710011157）。

張家輝（1997—），北京人，本科生，就讀于北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院。

李文，山東德州人，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)應(yīng)用。