智能家居通信技術(shù)研究綜述

茅天陽(yáng)+趙亮

摘 要：文中分有線和無(wú)線傳輸方式對(duì)智能家居中的通信技術(shù)進(jìn)行了綜述。有線傳輸方式包括電力載波通信、以太網(wǎng)、RS-485總線等，無(wú)線傳輸方式包括ZigBee、WiFi、GSM/GPRS、無(wú)線射頻技術(shù)等。此外，對(duì)各種傳輸技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，指出了智能家居通信技術(shù)的發(fā)展方向，認(rèn)為無(wú)線傳輸方式將會(huì)是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：智能家居；電力載波；RS-485；ZigBee；WiFi；GSM/GPRS

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

智能家居是一種居住環(huán)境，其基礎(chǔ)是住宅，其目的是構(gòu)建高效的住宅與家庭日程管理系統(tǒng)，其手段是利用網(wǎng)絡(luò)、布線、音頻、自控、安全等一系列技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成。

作為一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，智能家居還未真正進(jìn)入成長(zhǎng)期，市場(chǎng)消費(fèi)觀念還未形成，但隨著智能家居市場(chǎng)推廣普及的進(jìn)一步落實(shí)，在消費(fèi)者的觀念形成后，智能家居市場(chǎng)未來(lái)?yè)碛袩o(wú)窮潛力，產(chǎn)業(yè)前途無(wú)量。正因?yàn)槿绱耍絹?lái)越多的智能家居生產(chǎn)企業(yè)開(kāi)始投入對(duì)行業(yè)市場(chǎng)的研究，特別是對(duì)企業(yè)成長(zhǎng)環(huán)境和消費(fèi)者需求變化的深入研究。隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，數(shù)據(jù)通信技術(shù)迅速向智能家居滲透。居住環(huán)境信息獲取和傳輸技術(shù)需要運(yùn)用適宜的現(xiàn)代通訊手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。按通信技術(shù)傳輸介質(zhì)的不同可分為有線和無(wú)線兩種方式。有線通信方式具有系統(tǒng)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量多且分散，導(dǎo)致布線復(fù)雜、維護(hù)困難。無(wú)線通信以組網(wǎng)靈活、無(wú)需布線等優(yōu)點(diǎn)在智能家居中逐漸興起。智能家居中常見(jiàn)的有線方式有電力載波和以太網(wǎng)等，無(wú)線方式則包括ZigBee、WiFi、GSM/GPRS、無(wú)線射頻技術(shù)等，本文對(duì)這些通信技術(shù)在智能家居領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

1 有線通信方式

有線通信方式具有穩(wěn)定、安全和高速等優(yōu)點(diǎn)，但存在設(shè)備移動(dòng)性差和布線繁瑣、布線成本高等不足。常用的有線通信方式有電力載波和以太網(wǎng)等。

1.1 電力載波通信

電力線載波（Power Line Carrier，PLC）是電力系統(tǒng)特有的通信方式，電力線載波通訊是指利用現(xiàn)有電力線，通過(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)。其最大特點(diǎn)是不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線就能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

馬樂(lè)等（2013）[1]設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)體系的智能家居系統(tǒng)，以Internet和GSM為遠(yuǎn)程控制基礎(chǔ)，以RF無(wú)線射頻技術(shù)為近程控制手段，以PLC為通訊總線，解決家庭內(nèi)部點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題。羅玉平等（2014）[2]設(shè)計(jì)了基于電力線載波通信的智能家居控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以STM32主控制器為核心，內(nèi)嵌Web服務(wù)器，結(jié)合GPRS網(wǎng)絡(luò)、電力載波通信技術(shù)以及傳感器技術(shù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制。宣航（2015）[3]開(kāi)發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于電力線載波通信技術(shù)，以TOP6410開(kāi)發(fā)板為核心，以O(shè)FDM調(diào)制技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建了智能家居系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件平臺(tái)。

1.2 以太網(wǎng)

以太網(wǎng)（Ethernet）首次由羅伯特·梅特卡夫和施樂(lè)公司帕洛阿爾托研究中心的同事研制，如今已成為最流行的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)可以分為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)、千兆以太網(wǎng)以及萬(wàn)兆以太網(wǎng)。

南春輝等（2013）[4]設(shè)計(jì)了基于Web技術(shù)的嵌入式智能家居系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)建Web服務(wù)器對(duì)家居設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行記錄和控制，內(nèi)部家居通過(guò)以太網(wǎng)相連，以Socket協(xié)議與服務(wù)器通信。陳瑋等（2015）[5]設(shè)計(jì)了基于Andriod平臺(tái)的智能家居系統(tǒng)，將云計(jì)算中心與路由器用以太網(wǎng)連接，使用內(nèi)外網(wǎng)通信方式，當(dāng)家庭寬帶不可用時(shí)仍能通過(guò)內(nèi)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的控制。侯維巖等（2015）[6]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了智能家居網(wǎng)關(guān)及其Web控制軟件，提出了一種能夠同時(shí)兼容ZigBee、Bluetooth和以太網(wǎng)，并能方便操作的B/S智能家居控制系統(tǒng)。

1.3 RS-485總線

RS-485是串行數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，1983年在RS-422基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，后命名為T(mén)IA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。

陶莉等（2007）[7]設(shè)計(jì)了基于RS-485總線的智能家居系統(tǒng)，采用RS-485總線的主從網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了以PC機(jī)為家庭網(wǎng)關(guān)的基于RS-485總線的智能家居系統(tǒng)。徐鋒等（2009）[8]設(shè)計(jì)了智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，以ARMLPC2364為核心，由MAX3088構(gòu)成RS-485接口，不僅可以節(jié)省開(kāi)支，其省電節(jié)耗效果也十分明顯。劉璟（2010）[9]設(shè)計(jì)了基于PXA270-Linux的智能家居系統(tǒng)，通過(guò)運(yùn)用RS-485總線接入各種傳感器模塊的思想，實(shí)現(xiàn)了家居安全報(bào)警、家用電器及照明系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制。張小貝等（2012）[10]設(shè)計(jì)了基于嵌入式控制和RS-485的智能家居系統(tǒng)，具有良好的應(yīng)用性。張玲（2014）[11]設(shè)計(jì)了基于STM32的智能家居系統(tǒng)，各智能產(chǎn)品通過(guò)RS-485總線方式和控制器通訊，具有控制方式多樣靈活、模塊功能可擴(kuò)展性強(qiáng)、設(shè)備操作簡(jiǎn)單易行等優(yōu)點(diǎn)。

RS-485接口具有良好的抗干擾性，按其接口組成的半雙工網(wǎng)絡(luò)一般只需兩根連線，長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等使其成為首選的串行接口，但RS-485總線的主從和半雙工工作方式難以實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換，且存在效率低、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題。

2 無(wú)線通信方式

與有線通信方式相比，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)是一種以數(shù)據(jù)為中心的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，具有可快速臨時(shí)組網(wǎng)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可動(dòng)態(tài)變化、抗毀性強(qiáng)、無(wú)需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等優(yōu)點(diǎn)。常用的無(wú)線通信方式有ZigBee、WiFi、GSM/GPRS、無(wú)線射頻技術(shù)等。

2.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee類(lèi)似于藍(lán)牙，是一種新生的短距離通信技術(shù)。與藍(lán)牙高昂的價(jià)格，組網(wǎng)復(fù)雜等特點(diǎn)不同，ZigBee成本低、功耗低，且組網(wǎng)方便，因此許多廠商都對(duì)其感興趣。ZigBee遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，工作在204 GHz的頻段上。

運(yùn)用這種技術(shù)將智能家居中的各種電子設(shè)備組成一個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，從而快捷方便地對(duì)居住環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，意義重大。辛海亮等（2013）[12]設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)的總體方案，以Linux系統(tǒng)為核心，以ZigBee無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸并以GPRS通信技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控。高鵬等（2014）[13]設(shè)計(jì)了基于ARM和ZigBee的智能家居監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，在家庭內(nèi)部通過(guò)基于德州儀器CC2530無(wú)線收發(fā)芯片的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將家用電器與其他監(jiān)控設(shè)備連接在一起組成無(wú)線家庭網(wǎng)絡(luò)。龐泳等（2014）[14]設(shè)計(jì)了基于ZigBee的智能家居改進(jìn)系統(tǒng)，通過(guò)改進(jìn)的MAC協(xié)議與ZigBee數(shù)據(jù)幀結(jié)合，對(duì)網(wǎng)內(nèi)不同數(shù)據(jù)類(lèi)型采取針對(duì)性處理措施，使系統(tǒng)具有較低的功耗和較高的安全性。季建華（2015）[15]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)又以JN5139芯片為核心設(shè)計(jì)了各ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，采用星型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)ZigBee無(wú)線組網(wǎng)。Chatura等（2016）[16]基于ZigBee設(shè)計(jì)了低復(fù)雜度展頻智能家居網(wǎng)絡(luò)體系，提升了共存能力，增強(qiáng)了多徑衰落影響下的魯棒性。Raafat等（2016）[17]基于ZigBee面向殘疾人設(shè)計(jì)了可配置的智能家居控制系統(tǒng)，結(jié)果表明，該系統(tǒng)可為殘疾人提供更好、更便捷的生活方式。孫正鳳等（2016）[18]設(shè)計(jì)了基于改進(jìn)ZigBee路由算法的智能家居控制系統(tǒng)，仿真表明，當(dāng)節(jié)點(diǎn)數(shù)越多，改進(jìn)的算法可減少30%的能耗，并且隨時(shí)間的增長(zhǎng)，死亡節(jié)點(diǎn)數(shù)將降低10%，有效均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

應(yīng)用ZigBee技術(shù)可通過(guò)無(wú)線傳輸方式實(shí)現(xiàn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)家居環(huán)境控制器與管控計(jì)算機(jī)的組網(wǎng)及靈活的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，提高了智能家居系統(tǒng)的靈活性和可靠性，并大幅降低了成本。

2.2 無(wú)線WiFi技術(shù)

WiFi （Wireless Fidelity）網(wǎng)絡(luò)符合IEEE/802.11b協(xié)議，由AP（Access Point）和無(wú)線網(wǎng)卡組成，組網(wǎng)方式較為簡(jiǎn)單，具有無(wú)線接入、高速傳輸以及傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

董思喬等（2015）[19]設(shè)計(jì)了基于WiFi構(gòu)建的智能家居控制系統(tǒng)，采用PC機(jī)和智能手機(jī)作為基本硬件平臺(tái)，輔以WiFi插座和WiFi智能傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)智能家居控制系統(tǒng)。應(yīng)聞達(dá)等（2015）[20]提出了家庭網(wǎng)絡(luò)中智能家居設(shè)備無(wú)限快速連接技術(shù)，經(jīng)測(cè)試，無(wú)線連接所需時(shí)間為10～20 s，連接成功率幾乎為100%，明顯優(yōu)于基于多播或廣播的WiFi一鍵配置技術(shù)。喬季軍等（2015）[21]設(shè)計(jì)了融合ZigBee和WiFi無(wú)線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，研究了采集數(shù)據(jù)的程序開(kāi)發(fā)、單片機(jī)系統(tǒng)的底層編程和數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)等軟件程序。Wang等（2016）[22]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于iOS的智能家居聲控系統(tǒng)，手機(jī)通過(guò)路由器的WiFi信號(hào)向終端發(fā)送指令。賈陽(yáng)靜等（2016）[23]設(shè)計(jì)了基于Android和WiFi通信的智能家居系統(tǒng)，采用具有Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)或平板電腦作為家居控制終端，通過(guò)無(wú)線路由器搭建智能家居系統(tǒng)平臺(tái)。

智能家居充分利用現(xiàn)有普及的WiFi網(wǎng)絡(luò)資源，極大地?cái)U(kuò)展了信號(hào)的覆蓋面積，組網(wǎng)成本大大下降，加之其固有的傳輸速度快的優(yōu)點(diǎn)，在消費(fèi)者中具有較大普及潛力。

2.3 GPRS/GSM通信技術(shù)

GPRS（通用分組無(wú)線服務(wù)）是一種收費(fèi)的數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，屬于第二代移動(dòng)通信中的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，其傳輸距離遠(yuǎn)、穩(wěn)定性較好、傳輸速度快，一般用于遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)通信。

Zhang等（2013）[24]設(shè)計(jì)了由SMS控制的智能家居系統(tǒng)，通過(guò)手機(jī)短信發(fā)送一系列指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控家居系統(tǒng)。劉練等（2014）[25]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于App的智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，傳感器將污染氣體及PM2.5濃度信息通過(guò)GPRS傳送到后臺(tái)服務(wù)器。武一等（2014）[26]設(shè)計(jì)了基于GSM和ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)用戶手機(jī)對(duì)智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有功耗低、可靠性高、易擴(kuò)展、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。曹夢(mèng)龍等（2014）[27]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Internet和GSM的智能家居網(wǎng)關(guān)，系統(tǒng)重要的報(bào)警信息可以通過(guò)手機(jī)模組以短信的形式及時(shí)發(fā)送至用戶的手機(jī)上。R.Gnanavel等（2016）[28]針對(duì)老年人設(shè)計(jì)了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)智能家居系統(tǒng)，其中，GSM用于緊急情況下向就近醫(yī)院發(fā)送短信。

GPRS/GSM通信方式適合遠(yuǎn)距離且不具備有線網(wǎng)絡(luò)情況下的數(shù)據(jù)傳輸，采用包交換的優(yōu)點(diǎn)是在有效數(shù)據(jù)需要傳送時(shí)才會(huì)占用頻寬，還可以以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量計(jì)價(jià)，對(duì)用戶而言，這是比較合理的計(jì)費(fèi)方式。

2.4 RF無(wú)線射頻技術(shù)

無(wú)線射頻是20世紀(jì)90年代興起的一種非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，其識(shí)別系統(tǒng)主要由電子標(biāo)簽、讀卡器、上位機(jī)組成，通過(guò)射頻信號(hào)識(shí)別標(biāo)簽并獲取信息。

劉杰等（2012）[29]實(shí)現(xiàn)了利用433 MHz射頻通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果表明，使用433 MHz射頻技術(shù)可以很好地解決傳輸能力和頻帶資源分配問(wèn)題。曾艷等（2014）[30]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了智能家居RF通信模塊的問(wèn)題，測(cè)試表明，該無(wú)線通信模塊能夠滿足低成本、低功耗和遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸?shù)囊蟆Ｔ魅绲龋?015）[31]設(shè)計(jì)了基于ARM和nRF905組網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)射頻數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計(jì)，給出了室內(nèi)多個(gè)微控制器的組網(wǎng)方案，萬(wàn)能遙控器通過(guò)射頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的近距離控制。曾明如等（2015）[32]設(shè)計(jì)了基于ARM和RF無(wú)線技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，控制信息以射頻信號(hào)的形式發(fā)送到無(wú)線通訊節(jié)點(diǎn)或智能插座，試驗(yàn)結(jié)果表明，各家電能夠響應(yīng)相應(yīng)的控制要求。葛陽(yáng)等（2015）[33]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了智能家居433 MHz射頻通信協(xié)議棧，并詳細(xì)討論了協(xié)議棧的工作原理。

3 常用通信技術(shù)比較

上述7種作為智能家居系統(tǒng)常用的通信方式各有特點(diǎn)，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景可以發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，也可以將這7種通信方式進(jìn)行組合，實(shí)現(xiàn)高效、遠(yuǎn)程傳輸?shù)哪康摹３Ｒ?jiàn)的是將適合近距離的通信方式和適合遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腉PRS/GSM相結(jié)合。

有線通信具有高可靠性、速度快、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。但布線繁瑣、成本較高。無(wú)線通信方式具有設(shè)備移動(dòng)性好，不需或只需少量布線的優(yōu)點(diǎn)，但存在易受環(huán)境影響和延遲較大的不足。

從發(fā)展角度看，無(wú)線通信將是智能家居系統(tǒng)重要的研究方向。各種通信方式的性能比較見(jiàn)表1所列。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了幾種智能家居系統(tǒng)信息傳輸方式，包括有線及無(wú)線傳輸方式，比較了他們的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。信息傳輸是智能家居系統(tǒng)不可缺少的組成部分，合理選擇信息傳輸方式對(duì)整個(gè)智能家居系統(tǒng)起著重要作用。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，各種技術(shù)相互結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。結(jié)合后的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既能充分發(fā)揮各種技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)，又能最大程度發(fā)揮整體效應(yīng)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)的發(fā)展重點(diǎn)。

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