智能家居中的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)研究

鄒貴紅

（廣州華夏職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510935）

0 引言

智能家居系統(tǒng)，主要有家庭安防系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能家居中央控制管理系統(tǒng)等多種系統(tǒng)。隨著人們生活水平的提高、信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能家居系統(tǒng)也表現(xiàn)出了前瞻性：科技化、安全化、智能化、節(jié)能化，舒適化的特點(diǎn)[1]。而隨時(shí)無(wú)線傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中也得到了廣泛的應(yīng)用。研究智能家居中的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，能更好的推動(dòng)智能家居的發(fā)展。

1 智能家居系統(tǒng)

1.1 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)主要是在幾個(gè)常用通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，加上嵌入式、嵌入式、ZigBee、Wi-Fi等技術(shù)結(jié)合構(gòu)成的。

智能家居系統(tǒng)按整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)可分成應(yīng)用服務(wù)層、網(wǎng)絡(luò)通信層、感知控制層，圖1所示。

1.2 智能家居系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

圖1 智能家居系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖Fig.1 Mechanism diagram of smart home system

智能家居系統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示，按照控制標(biāo)準(zhǔn)類別區(qū)分，主要包括網(wǎng)關(guān)、設(shè)備節(jié)點(diǎn)和子網(wǎng)，這些組成了智能家居控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)。

通過(guò)外界互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)系，不僅可以提供智能家居所需要的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，還可以為通信設(shè)備提供相互關(guān)聯(lián)的連接接口，實(shí)現(xiàn)家中所有設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)共聯(lián)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

圖2 智能家居系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 Wireless network architecture of smart home system

然而需要注意的是，網(wǎng)關(guān)在其中起著重要作用，它不僅可以讓不同設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互通信息交換，還能讓各個(gè)設(shè)備與外界進(jìn)行關(guān)聯(lián)，共享信息?？梢哉f(shuō)網(wǎng)關(guān)控制著家庭中的所有設(shè)備，是智能家居控制系統(tǒng)局域網(wǎng)的核心部分。

2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的英文縮寫為WSN，可以知道WSN技術(shù)是在無(wú)線通信技術(shù)和傳感器技術(shù)的基礎(chǔ)上融合了分布式、嵌入式信息處理等多種信息交互技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在設(shè)定區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)等多種操作[2-3]。

目前，無(wú)線傳感器由多個(gè)技術(shù)結(jié)合組成，它的作用給智能家居的發(fā)展帶了很多的便利，無(wú)線傳感器主要通過(guò)分布式的信息處理技術(shù)、通信技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居的控制，通過(guò)數(shù)據(jù)收集器來(lái)獲取數(shù)據(jù)并完成到處理器的傳輸功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的遠(yuǎn)程控制。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中起到了至關(guān)重要的作用，它可以完成數(shù)據(jù)之間的交互，并通過(guò)Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的通信。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，在智能家居的應(yīng)用上具有可觀的前景。

2.1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的傳感節(jié)點(diǎn)、外部匯聚節(jié)點(diǎn)以及與外部網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)的管理控制中心，這三部分組成了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸[4]。

由圖我們可以看出，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有這樣的特點(diǎn)，全部的傳感節(jié)點(diǎn)均分散在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，并這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組網(wǎng)的形式同外部匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)交換。因此匯聚節(jié)點(diǎn)的作用就相當(dāng)于家庭網(wǎng)關(guān)，是內(nèi)部監(jiān)控區(qū)域與外部網(wǎng)絡(luò)相連的橋梁，有著至關(guān)重要的作用。匯聚節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)有線或無(wú)線的方式與外部網(wǎng)絡(luò)連接，但與傳感節(jié)點(diǎn)一般采用無(wú)線的方式，進(jìn)行管理控制中心與監(jiān)控區(qū)域的信息數(shù)據(jù)交換。管理控制中心指的就是我們自己，我們可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的信息。

圖3 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural diagram wireless sensor network

2.2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和蜂窩網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)以及其它通信網(wǎng)絡(luò)相比，有它自己明顯的特點(diǎn)：

（1）自組織、分布式性。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)沒(méi)有中心控制，全都都是由對(duì)等節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。整個(gè)管理和組網(wǎng)都非常的靈活，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有路由功能，通過(guò)自己協(xié)調(diào)和自動(dòng)布局形成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，不需要其它設(shè)備和人為手段。而且，完全不依賴固定的基礎(chǔ)設(shè)備[5]。

（2）穩(wěn)固性。傳感器節(jié)點(diǎn)不會(huì)因?yàn)槟芰康南拗?、?nèi)外部環(huán)境的影響而遭到破壞，更不會(huì)使節(jié)點(diǎn)不能正常工作。大量隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)之間可以自動(dòng)協(xié)調(diào)，從而保證個(gè)別傳感節(jié)點(diǎn)的損壞不會(huì)影響到整體正常運(yùn)行。

（3）可擴(kuò)展性。不需要外界條件的容許，網(wǎng)絡(luò)中可以自行增加新的節(jié)點(diǎn)，原有無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可以完全接納和融合新增節(jié)點(diǎn)，使新的節(jié)點(diǎn)能參與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常工作。

（4）動(dòng)態(tài)拓?fù)湫?。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可能處于休眠狀態(tài)，沒(méi)有參與到正常的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中，也有些可能處于工作狀態(tài)，也會(huì)不斷有新的節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中，這些情況都會(huì)使得網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生一系列的變化[6]。

（5）應(yīng)用相關(guān)性。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)感知來(lái)了解世界萬(wàn)物，從而獲得世界萬(wàn)物的信息。然而，不用的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)注著不同的物理量，因?yàn)殛P(guān)注的背景不一樣就導(dǎo)致有不同的節(jié)點(diǎn)軟硬件平臺(tái)和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)還是由鮮明的區(qū)別，它沒(méi)有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺(tái)，必須針對(duì)不同的應(yīng)用來(lái)研究傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

表1 幾種基本無(wú)線傳感技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比Table 1 Characteristics omparison of several basic wireless sensor technologies

（6）大規(guī)模性。傳感器網(wǎng)絡(luò)包含這大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，為了使網(wǎng)絡(luò)具有高的可靠性，一般在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)部署大量的節(jié)點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模性還可以通過(guò)不同的空間視角獲得大的信噪比，來(lái)提高準(zhǔn)確的監(jiān)控。

（7）高冗余性。因?yàn)樵跓o(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中存在許多的傳感節(jié)點(diǎn)，這也就說(shuō)明其具有傳感節(jié)點(diǎn)冗余、網(wǎng)絡(luò)連接冗余、信息收集冗余的特點(diǎn)。使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有強(qiáng)的容錯(cuò)能力。

（8）空間位置尋址性。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)不需要全球唯一的標(biāo)識(shí)，也沒(méi)有采取因特網(wǎng)的IP尋址，也不需要網(wǎng)絡(luò)間節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。用戶只關(guān)心數(shù)據(jù)從哪里來(lái)，并不在乎數(shù)據(jù)在哪個(gè)節(jié)點(diǎn)采集，針對(duì)這一點(diǎn)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)就可以采取空間位置尋址方式?？偟脕?lái)說(shuō)，傳感網(wǎng)絡(luò)主要是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)[7]。

2.3 常用的幾種無(wú)線傳感技術(shù)

目前常用的無(wú)線傳感有：藍(lán)牙技術(shù)、紅外線技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、無(wú)線射頻技術(shù)和Zigbee技術(shù)，各技術(shù)的特點(diǎn)比較如表1所示。

從表1分析可知，Zigbee技術(shù)是一種成本、距離、功耗、速率都低的一種無(wú)線通信技術(shù)。Zigbee無(wú)線通信技術(shù)的MAC層、物理層均采用IEEE 802.15.4 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),在此基礎(chǔ)上完善和擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會(huì)聚層一級(jí)高層應(yīng)用的規(guī)范。而且Zigbee技術(shù)在10Kbps到250Kbps的傳輸領(lǐng)域應(yīng)用非凡，主要應(yīng)用在遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制領(lǐng)域。根據(jù)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的需求、性能、以及智能家居在安全、成本、功耗、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)綜合考慮下，ZigBee技術(shù)是目前智能家居最合適的通信技術(shù)。

3 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用

在飛速發(fā)展的智能家居系統(tǒng)中，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)會(huì)在其中起著重要作用。因?yàn)閹е畔⒐蚕淼闹悄芗揖訜o(wú)論從人們的生理還是心理，都是以給人們提供一個(gè)安全、便利、智能的生活氛圍為目標(biāo)。

從上述分析可知，在眾多的無(wú)線傳感技術(shù)中，Zigbee技術(shù)具有它獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，此項(xiàng)技術(shù)不僅有全功能設(shè)備，還具備精簡(jiǎn)功能設(shè)備。全功能設(shè)備又稱作Full-Function Device，指的是可以實(shí)現(xiàn)與局域網(wǎng)中其它所有設(shè)備信息交互。精簡(jiǎn)功能英文簡(jiǎn)稱RFD（Reduced-Function Device），指的是只能適應(yīng)相對(duì)單一結(jié)構(gòu)，不能實(shí)現(xiàn)路由、信息互聯(lián)。在Zigbee技術(shù)中，只有精簡(jiǎn)設(shè)備在信息交互和數(shù)據(jù)互聯(lián)上存在局限性，其它設(shè)備均可以實(shí)現(xiàn)通信關(guān)聯(lián)的功能。所以為了讓精簡(jiǎn)設(shè)備也能夠與外界環(huán)境實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)交互，就需要一個(gè)具備此功能的協(xié)調(diào)器[8]。精簡(jiǎn)設(shè)備所占的傳輸資源并不多，使得整個(gè)設(shè)備的成本非常的低廉。

和其它信息傳輸技術(shù)相比，Zigbee技術(shù)具有諸多優(yōu)勢(shì)，包括運(yùn)行制作成本小、帶寬大、信息共享距離近、信息共享安全性高等。所以，此項(xiàng)技術(shù)在智能家居行業(yè)具有重要的應(yīng)用價(jià)值，能夠有效提升智能家居系統(tǒng)在未來(lái)市場(chǎng)的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值，為發(fā)展智能家居系統(tǒng)拓寬了道路[9-10]。

4 結(jié)論

本文通過(guò)分析智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、智能家居整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并通過(guò)分析整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)及常用技術(shù)得出未來(lái)智能家居中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的常用技術(shù)，分析了常用技術(shù)Zigbee與其它技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之處，此技術(shù)將是未來(lái)智能家居無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。