智能家居網絡的架構及功能

文/嚴凌

1　智能家居網絡架構的選擇

目前，在智能家居領域中，常用的組網形式有兩種，一種是有線組網，另一種是無線組網。由于前者的穩定性較高、通信速率快，加之技術成熟，從而使其在智能家居網絡構建中得到了廣泛應用。然而，在實際應用中發現，這種組網技術方式，需要進行復雜的線路布設，整體靈活性相對較差，不便于網絡擴展。而無線組網方式的出現，彌補了這些缺陷，其為智能家居的發展提供了強有力的技術支撐。在智能家居系統中，可以替代有線組網的無線組網技術有以下幾種：一是紅外技術。這是一種短距離通信標準，利用紅外線完成數據傳輸，由于紅外線的傳輸距離相對較短（最遠距離約為10m左右），并且在數據通信的過程中，需要無障礙通道，所以該技術僅僅能夠完成點到點的無線通信，很難滿足物聯網的應用要求。二是藍牙技術。從傳輸距離上看，藍牙可以達到60m左右，雖然能夠在智能家居系統中應用，但從整體效果上看卻比較一般。三是Wi-Fi技術。這是一種應用較為廣泛的無線通信技術，也是目前使用最多的WLAN標準，其覆蓋范圍可以達到100m左右，最高的傳輸速率可達54Mbps。該技術的組網比較簡單，靈活性強，但設備本身的功耗較大，不符合節能的要求。四是ZigBee技術。該技術自出現以來受到業內的普遍關注，對它的技術研發和應用始終都在持續不斷地進行，并且取得了一定的成果。該技術有三個工作頻段，采用的是直接序列擴頻技術，在常規工作頻段下（2.4GHz）其數據傳輸速率能夠達到250kbps，覆蓋范圍可以達到數百米，可以滿足智能家居系統的數據傳輸要求。ZigBee具有非常強大的擴展能力，由此使其可連接的節點數量能夠達到上萬個。鑒于此，在智能家居系統的設計中，可以利用無線組網技術進行網絡架構的建立，從而實現相關的控制功能。

2　智能家居網絡系統功能的實現

由上文分析可知，在智能家居網絡架構的選擇上，應以無線組網方式作為首選，故此下面基于ZigBee技術對智能家居網絡系統功能的實現進行分析。

圖1：系統架構示意圖

2.1　系統總體方案

本文所提出的智能家居網絡系統由以下幾個部分組成：主控制器、協調器、溫濕度傳感器、照明開關節點等。系統架構如圖1所示。

在該系統中，各個功能模塊負責從相關節點采集信號，通過ZigBee協議與協調器之間進行數據通傳輸。在主控器的設計中，運用嵌入式技術，可使遠程PC機發出Http請求，對智能家居的狀態進行查詢，同時顯示溫濕度及照明開關的情況，通過發送相關的操控指令，對智能家居進行控制。

2.2　網絡拓撲結構

本系統是基于ZigBee進行構建的，在ZigBee中，可以選用的網絡拓撲結構有兩種，一種是點對點，另一種是星型。由于前者的網絡結構形式較為復雜，在設備分布較廣的系統比較適用，并不適合在智能家居系統中應用。而后者適合小范圍的室內應用，如家居自動化等。它的核心是網絡協調器，在星型網絡中，所有的設備只能與協調器進行通信，構建這種網絡形式時，建立協調器是關鍵環節，網絡協調器需要為網絡選擇唯一的標識符，處于星型網絡當中的全部設備，都需要通過這個標識符對自己的隸屬關系進行規定。本系統在網絡拓撲結構設計中，選用星型網絡。

2.3　系統主要功能

本系統具備溫濕度檢測、電器設備控制、數據顯示等功能。在溫濕度檢測方面，主要是借助傳感器來實現相關的功能，如測量家居的溫濕度，設定報警值，當采集到的溫濕度數據超過預先設定好的報警值時，系統便會發出報警信息，提醒用戶查看；對電器設備的控制則是按照高低電平，判斷設備的狀態，分析設備處于開啟或是關閉，并將結果通過Web服務器傳給用戶；在數據顯示上，可以按照用戶的選擇，對室內溫濕度、空調設備以及照明開關等狀態信息，顯示在客戶端網頁和主控制器的液晶顯示屏上。

2.4　無線模塊設計

在本系統中，無線模塊的設計是關鍵環節，無線傳感器網絡由以下幾個部分組成：傳感器模塊、數據傳輸與處理模塊、電源模塊等。其中傳感器主要負責對監控區域范圍內溫濕度進行采集，然后轉換成數據形式，傳給主控制器。在數據處理與傳輸模塊的設計中，選用JN5121系列模塊，該模塊具有32位RISC核心，集成ROM和RAM，由此可實現無線傳感器網絡的低成本構建。溫濕度傳感器模塊選用的是國外某知名公司的產品，該傳感器具有響應速度快、抗干擾能力強等特點，可進行數字式輸出，測量精度較高。電源模塊以堿性電池作為供電電源，采用穩壓芯片，該芯片具有可調壓功能。

3　結論

綜上所述，時代的發展和社會的進步，使得人們對生活品質提出越來越高的要求，智能家居隨之應運而生。在對智能家居系統進行應用時，網絡架構的選擇和構建及其相關功能的實現是比較重要的環節。本文基于ZigBee技術，對智能家居網絡的架構及功能的實現進行論述，以期能夠對促進智能家居的應用及發展有一定的幫助。