基于物联网技术的智能家居系统设计

【摘要】物联网技术是新一代信息技术的重要组成，文章介绍了物联网中所涉及的多种近距离通信技术并进行了对比分析，重点介绍了ZigBee无线通信技术。并在此基础上提出了基于物联网技术的智能家居系统解决方案，最后展望了智能家居系统未来的应用前景。

【关键词】物联网;ZigBee技术;智能家居

引言

随着物联网技术的发展，基于物联网技术基础的智能家居系统正在朝着实用、方便、容易集成的方向发展，把家庭中各种电器设备和仪表通过各种通信技术有机的组织起来，形成一个完整的家居管理系统，使得家庭生活变的更加数字化、智能化和网络化，带来了极大的便利性。文章介绍了基于物联网技术的智能家居系统，该系统集成了传感器技术、无线通信技术、移动互联网技术以及远程控制技术等，凸显了物联网技术在智能家居中的典型应用。

1.物联网技术简介

物联网（The Internet of things）是新一代信息技术的重要组成部分，是实现物物互连进行信息交换和通信的网络。物联网的概念最早于1999年由美国麻省理工学院的Kevin Ash-ton教授提出，历经多年的发展和完善，形成了一套完整的技术体系。目前对于物联网的比较通用的定义是通过射频识别、智能传感、通信技术等手段，按照约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、采集、定位、监测、控制和管理的网络系统。物联网从技术结构上可以分为三层，分别为感知层、网络层和应用层。

在物联网的技术体系中，感知层是物联网系统的触手，负责采集信息和控制设备;网络层是物联网系统的神经系统，连接各种传感器和用电设备，进行数据和控制命令的传输和交换;应用层是物联网系统的大脑，负责处理各种数据，响应需求及发布控制命令等。作为物联网神经系统的网络层使用各种通信技术连接设备和应用，是物联网系统的关键技术。

2.物联网通信技术

2.1 物联网通信技术介绍

物联网系统中所涉及的通信技术主要有近距离无线通信技术、无线传感器网络技术和移动通信技术等，由于物联网的目标是实现物与物之间的互相连接，所以近距离无线通信技术在物联网的通信技术中占据着重要的位置，随着通信技术的发展，出现了越来越多的近距离无线通信技术，方便了设备之间的低速短距离无线连接，比较常见的近距离无线通信技术主要有蓝牙、红外、WiFi、微功率无线、ZigBee等。对于上述的各种通信技术的性能指标比较如表1所示。

表1 近距离无线通信技术比较

参数名称 蓝牙 红外 WiFi 微功率无线 ZigBee

工作频段 2.4GHz 820nm 2.4G/5GHz 433M/470MHz 868M/915M/2.4GHz

最大传输速率（bit/s） 1-2M 16M 150M 250K 20K/40K/250K

通信距离 10m 1-2m 100m 150m 120m

工作电流 20-30mA 2-3mA 100mA 40-50mA 30-40mA

网络节点数 8 2 10-100 1024 65535

数据安全性 128bit密钥 小角度 SSID AES-128加密 AES-128加密

响应时间 2-3S 50ms 10s 40ms 20ms

应用范围 个人网络 小型移动设备 企业局域网 工业局域网 家庭局域网、工业控制局域网

通过对上述各种短距离通信技术的比较，再结合物联网中设备节点数量大、通信距离短、信息量较小的特点，显然ZigBee无线通信技术最适合物联网对短距通信技术的需求。ZigBee的目标应用领域为能源管理、家居自动化、消费电子、工业自动化等，在其网络内能容纳数千个通信节点，且可以协调各通信节点之间只需要少量的能量就可以通过中继的方式将数据从网络内的一个节点传输到另外一个节点，具有较高的通信效率。另外，其低功耗、高可靠、自组网、易扩展、易维护、易大规模部署的特点也满足了物联网发展的要求和趋势，因此ZigBee无线通信技术必将在物联网领域获得广泛的应用。

2.2 ZigBee通信技术

ZigBee协议栈包括物理层、MAC层、网络层、安全层、应用支持层和应用层，该协议栈的架构如图1所示。其中，物理层提供了27个通信通道，覆盖了上述的三个通信频段范围，不同的通信频段具有不同的通信速率，物理层实现了数据的传输和物理信道的管理功能;MAC层实现了数据链路的建立和维护，并且可以通过载波侦听机制实现通信信号的冲突避免和重发，具备了基本的点对点通信功能;网络层的主要功能是建立和管理网络，同时负责处理应用数据帧与MAC层数据帧之间的格式转换，同时具有网络通信时对数据的路由转发功能;应用支持层提供了网络层和应用层之间的接口，同时在该层实现了绑定表等功能，可以根据需要实现两台设备之间匹配关联;应用层主要用于实现各类应用功能，既可以是由ZigBee联盟定义的标准的应用profiles也可以是用户根据需要自定义的应用profiles，实现对应用数据的传输和管理，最终实现各种应用功能。

ZigBee协议栈采用分层的架构，协议栈不同层之间通过服务接入点进行数据交互，每一个下层都为上一层提供服务，其中包括提供数据传输服务的数据服务接口和提供参数设置和网络管理的管理服务接口，层与层之间通过服务接口提供的操作原语实现数据的传输和协议栈的管理。

在ZigBee网络中根据节点角色的不同可以分为全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD）。对于全功能设备需要支持所有的参数和实现所有的功能，任意两个全功能设备之间都可以进行数据传输。全功能设备在网络中一般作为协调器或路由器的使用。精简功能设备只需要支持部分参数，实现部分功能，在网络中一般作为终端节点使用，和其所连接的路由器或协调器之间进行数据通信，终端设备之间不能进行数据通信。

图1 ZigBee协议栈架构

3.基于物联网技术的智能家居系统

智能家居是属于物联网的物物互连的具体化体现，通过物联网相关技术将家庭中的各种设备（如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、网络家电以及三表抄送等）连接到一起，提供家电控制、照明控制、窗帘控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能。

本文设计了基于物联网通信技术，特别是ZigBee无线通信技术的智能家居系统，该系统的架构如图2所示。在该智能家居系统中，智能家居网关是该系统的核心设备，通过该通信网关连接起家中的各种设备和仪表，同时也连接了如计算机、智能手机、平板电脑等设备作为用户和家庭网络交互的操作终端。另外，通过该家居网关可以连接到广域网上，从而可以实现通过网络远程监测和控制家居设备的功能。

图2 智能家居系统架构图

在该智能家居系统中，家庭内各类设备之间是通过ZigBee无线通信方式进行数据传输的，设备与设备之间通过无线通信方式传输状态数据和控制命令，相互协作配合实现各种各样的功能。同时在该系统中，引入了能源采集器设备，通过该设备可以采集家庭中智能电表、智能水表和智能气表的数据，并把采集到的数据通过ZigBee无线通信方式传输到家居网关，从而可以被其他设备接收和处理，比如用户可通过智能手机查看这些数据，实时了解家庭中各种能源的使用情况。如果再结合国家目前大力推广的阶梯价格和分时价格合理安排家中各类设备的使用，可以达到减少家庭日常费用开支的目的。采用该智能家居系统的一种典型的应用场景如下：早晨起床后，通过智能手机上的APP控制窗帘打开，欣赏下窗外美丽的风景，同时家居网关通过远程控制打开音响播放一些优美的音乐;在用户出门后，各种传感器设备监测着家中的各种状态，比如当烟雾探测器检测到异常情况时，会自动启动报警系统，同时可发送告警信息到用户预留的紧急情况处理处，以便尽快发现异常，排除险情;当空气监测器探测到室内的CO等危险气体浓度超标时，则一边自动启动风扇通风，同时发出报警信息提醒处置;晚上要休息时，只要通过APP上的一个设置，就可以自动关闭窗帘，调暗灯光;用户可以通过PAD上的APP随时查看家中的用电、用水、用气情况，并可以根据时段电价的不同，开启或停止家中的用电设备，以达到节省电费开支的目的，并且可以通过家居网关连接到因特网上，实现远程缴纳电费、水费、气费等。

通过基于物联网技术的智能家居系统，不仅能带来生活便利，更提高生活品质，真正实现了科技改变生活。

4.结语

物联网是继因特网之后又一带来巨大变革的网络技术，并且这一技术和人们的生活息息相关，对人们生活产生的影响更加巨大。目前，物联网正逐渐被人们认识和接受，而基于物联网技术的智能家居应用越来越深入，相信在不久的将来世界将会是物联网的世界。

参考文献

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[2]王坚锋.基于ZigBee的智能家居系统研究[J].电子世界，2012（1）：105-106.

[3]郑纯军，张轶.多方式接入智能家居系统的研究与实现[J].微计算机信息，2010，26（5-2）：55-56.

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