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智能家居技术浅谈

发布时间:2018-05-09 11:32:00 文章来源:未来智库    
    【关键词】智能家居;ZigBee技术;家庭网关;传感器节点
    在现今社会,人们的工作压力越来越大,竞争越发激烈,给予家庭生活的时间也越来越少。当结束一天工作的人们回到家时已疲惫不已,如果空调已经将室温降到适宜的温度,饭已经做好,洗澡水已经放好,还有什么比这样的生活更美好的呢?
    传统的家居环境只满足了人们最基本需要,它的局限性日益凸显。比如现在我们的生活中只能需要哪个开关工作,才去触动相应的这个开关,而无法进行整体的集中管理,这在某些情况下就不方便了。传统的家居环境的对于安全的管理能力比较差,一旦发生火灾或者煤气泄漏等危险情况的时候,不能够及时有效地警报和处理,这对普通家庭造成的后果是严重的。此外,传统家居在对实现远程监控、处理突发事件和及时获取家居环境信息等方面的能力也极为有限,难以满足人们对家居系统进行集中、智能、实时和远程的监控的需要。
    针对这些问题,于是有了智能家居(Smart Home)的概念。所谓智能家居系统是指综合使用各项通信、传感器及控制技术,实现家居系统的人性化、智能化的集成管理系统。它的设计理念在于将家居的自动化、环境实时监测、安全防护等集中在一个综合的管理系统,即智能家居监控系统上,同时要求该系统具有良好的环境适应性和系统扩展性,可根据用户实际需求进行功能上的增减。
    现在国人对于智能家居的认识还停留在起步阶段,很多产品还在利用人们对智能家居的认识不足而大打概念牌。让很多消费者都误以为这样的产品是高科技,是新技术。其实早在1984年,世界上第一幢智能建筑就在美国康涅迪格州,这栋意义非凡的建筑其实只是对一座旧式大楼进行了一定程度的改造,它只是采用计算机系统监控大楼的电梯、空调、照明等设备,并简单提供语音通信、电子邮件、情报资料等方面的信息服务。当然,这仅仅是智能家居的一个雏形。随着科技的不断进步,国外的智能家居系统技术己日趋成熟,尤其是欧美的发达国家,现正逐步的给一部分新房赋予其“智慧的心脏”。
    1.技术依据
    ZigBee技术是一种近些年才兴起的无线网络通信技术标准,其突出的优势是成本低,功耗低。适用于网络容量大,数据交换量小,对传输速率要求不高的场合。在通信时,连接时间短,大大减少了通信数据碰撞的概率。同时,它还会对所传输的数据信息进行加密处理,网络的安全性比较高。因此,它完全满足家庭用传感器组网的要求。
    ZigBee技术的物理层和MAC层的协议是由IEEE802.15.4工作组负责制定的,其余协议主要参照和采用现有的标准,而高层应用、测试和市场推广等方面的工作则是由ZigBee联盟负责。IEEE 802.15.4标准定义了最下面的两层:物理层(PHY)和介质接入控制子层(MAC)。ZigBee联盟提供了网络层和应用层框架的设计,其中应用层的框架包括了应用支持子层(APS)、设备对象层(ZDO)和由制造商制订的应用对象。
    Zigbee支持的设备类型包括全功能设备(FFD)和半功能设备(RFD)。全功能设备可以和其他全功能设备或半功能设备通信,可以作为PAN协调器,路由器和终端设备。但半功能设备只能和全功能设备通信,所以也只能作为终端设备。在IEEE802.15.4物理层和MAC层基础上,Zigbee网络层还提供了一些功能,比如动态网络的建立、地址、路由等。
    2.系统构架
    要建立一个完整的家庭控制网络,光有通信技术是远远不够的,比较普遍的方式是采用星型网络拓扑结构来构架智能家居系统,在这里介绍的系统是就由一个家庭网关和若干个无线通信ZigBee传感器节点模块组成的。
    2.1家庭网关
    在前面的内容中提到的家庭网关,它作为整个智能家居系统的控制中心,与各传感器节点互相连成一个内部信息网。但内部信息网络还需要和外部网络联通才能满足用户对监控的要求,否则无法实现系统的集中化管理,不能实现设备的诊断和更新,以及远程设置和维护,同时用户无法获取家中的各种情况,对家中的设备也无法进行管理和远程控制。如何选择家庭内部信息网络和外部网络互联的方式呢?通常的选择是公用电话网,或者是互联网。这就对应电话接口和家庭网关这两种设备。只是电话接口的数据传输能力和控制功能都十分有限,扩展性并不理想,因此,一般采用家庭网关这种设备来进行智能家居系统的控制。
    2.2传感器节点
    智能家居传感器网络是在家庭环境中的指定位置布置传感器节点,并且以无线通信的方式组成的网络。每个传感器节点集成了传感器件、数据处理单元和通信模块,负责测量周围一定范围内的温度、湿度、光强度、不正常入侵等情况的变化,将接收到的信号转化成数据进行处理和通信,并且通过自组织的方式构成网络。传感器节点不仅只有无线收发模块,它还包括具有一定处理能力的MCU芯片,能够根据预先写入的程序采集传感器的信息,进行命令、状态信息的转发,控制设备,并且能对子网上的节点进行集中管理,从而维护整个传感器系统的正常运转。
    通过布置在房间不同位置的温度、湿度、光照等不同的传感器,感知到居室所对应区域的相关状况,从而对相关家用电器进行控制,以便提供给人们更加舒适便捷的居住体验。每个传感器节点都集成有传感器、数据处理单元和通信模块,而该网络是由随机分布的传感器节点通过自组织的方式构成。网络中传感器节点虽然数量大,但由于相互之间数据交换量小,所以对传输速率要求也并不高。
    家庭网关是一台全功能设备(FFD),在这里它充当的是网络协调器,由它来主导网络的建立,监督网络的正常运行。给它配置较多的存储空间,可以用来完成网络初始化,数据采集及设备控制等功能。其他的无线通信ZigBee子节点模块则是半功能设备(RFD),完成传感器状态采集,响应查询、设备控制等,正因为它们是半功能设备,所以这些ZigBee传感器节点模块只能与家庭网关之间进行通信,相互之间不能进行通信。
    2.3物理接口
    物理接口是网络的信息管理的核心部分,也是家庭网关和传感器节点之间的桥梁,家庭网关和各传感器节点之间通信就是由物理层来完成的,并且能够翻译通信内容,使家庭网关和传感器节点之间能够相互理解通信的内容。
    3.结语
    综上,智能家居必然成为未来住宅的发展趋势,而本文通过对构建智能家居系统的技术依据和系统构架的说明,简单阐述其相关的技术,而其中无线通信技术的应用及系统的集成化、功能的多样化是主流的发展趋势,也为智能家居的发展提供了更加丰富的前景。我们也有理由相信这种生活方式离我们并不遥远。 [科]
    【参考文献】
    [1]高小平.中国智能家居的现状及发展趋势.低压电器,2005(4).
    [2]熊春宇,葛焱,孟浩天,钱志恒,孙文通,王一.基于ZigBee的智能家居控制系统的设计.价值工程,2013(15).
    [3]林旭东.智能家居系统相关技术及发展趋势.科技创新导报,2008(07).
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