面向智能家居的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析

楊 浩,王 哲（中州大學(xué) 信息工程學(xué)院,鄭州 450006）

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面向智能家居的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析

楊 浩,王 哲
（中州大學(xué) 信息工程學(xué)院,鄭州 450006）

摘 要:智能家居的實(shí)現(xiàn)需要現(xiàn)代通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)搭建控制平臺(tái)，提升家居安全性、自動(dòng)控制性、舒適和藝術(shù)性，實(shí)現(xiàn)個(gè)人信息終端和家電設(shè)備的智能化互聯(lián)。本文重點(diǎn)分析了TCP/IP協(xié)議、Zigbee協(xié)議、UWB超寬帶協(xié)議，它們是搭建智能家居網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和控制系統(tǒng)的核心無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

關(guān)鍵詞:智能家居；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；TCP/IP協(xié)議；Zigbee協(xié)議；UWB超寬帶協(xié)議

1 前言

智能家居的實(shí)現(xiàn)需要現(xiàn)代通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)搭建控制平臺(tái)，提升家居安全性、自動(dòng)控制性、舒適和藝術(shù)性，實(shí)現(xiàn)個(gè)人信息終端和家電設(shè)備的智能化互聯(lián)。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、音視頻技術(shù)將家電設(shè)備互聯(lián)，構(gòu)建信息化管理系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居家環(huán)境。

智能家居系統(tǒng)包含的主要子系統(tǒng)有：綜合布線系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、手機(jī)控制管理系統(tǒng)、家庭照明系統(tǒng)、家庭安保系統(tǒng)、家庭娛樂(lè)多媒體系統(tǒng)、室內(nèi)溫控系統(tǒng)等統(tǒng)[3]。

智能家居是互聯(lián)網(wǎng)+物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)。例如：一個(gè)人遠(yuǎn)程可遙控家中電視、空調(diào)、洗衣機(jī)、電飯煲的開(kāi)關(guān);手機(jī)記錄觀察家庭時(shí)時(shí)刻刻的圖像，發(fā)生盜竊、自來(lái)水忘關(guān)、燃?xì)馔P(guān)可以自動(dòng)報(bào)警等；控制冰箱保鮮食物的程度，將電視節(jié)目自動(dòng)保存，這就是智能家居鮮活例子。

2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

2.1 TCP/IP協(xié)議

IP協(xié)議位于TCP/IP協(xié)議族的第三層：網(wǎng)絡(luò)層。IP協(xié)議就是因特網(wǎng)協(xié)議。IP協(xié)議規(guī)定了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的基本單元和格式。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP數(shù)據(jù)都以IP數(shù)據(jù)報(bào)格式傳輸。在現(xiàn)實(shí)生活中，我們進(jìn)行貨物運(yùn)輸時(shí)都是把貨物包裝成一個(gè)個(gè)的紙箱或者是集裝箱之后才進(jìn)行運(yùn)輸，在網(wǎng)絡(luò)世界中各種信息也是通過(guò)類似的方式進(jìn)行傳輸?shù)?。IP協(xié)議的作用就是向傳輸層（TCP層）提供統(tǒng)一的IP包，即將各種不同類型的MAC幀轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的IP包，并將MAC幀的物理地址變換為全網(wǎng)統(tǒng)一的邏輯地址。用貨物運(yùn)輸做比喻，IP協(xié)議規(guī)定了貨物的運(yùn)輸方法和運(yùn)輸路線[4]。

TCP協(xié)議位于TCP/IP協(xié)議族的第三層：運(yùn)輸層。TCP（傳輸控制協(xié)議）協(xié)議負(fù)責(zé)為兩臺(tái)主機(jī)提供高可靠性的數(shù)據(jù)通信。它所做的工作包括把應(yīng)用程序交給它的數(shù)據(jù)分成合適的小塊交給下面的網(wǎng)絡(luò)層，確認(rèn)接收到的分組，設(shè)置發(fā)送最后確認(rèn)分組的超時(shí)時(shí)鐘等。簡(jiǎn)單的說(shuō)在TCP模式中，對(duì)方發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)包給你，你要發(fā)一個(gè)確認(rèn)數(shù)據(jù)包給對(duì)方。通過(guò)這種確認(rèn)來(lái)提供可靠性。

2.2 Zigbee協(xié)議

ZigBee得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注，主要是因?yàn)樵摷夹g(shù)適合短距離、低速率的無(wú)線通信。

Zigbee特別適合用來(lái)組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要優(yōu)勢(shì)是低復(fù)雜度、近距離、自組織、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低功耗。它可以應(yīng)用在煤氣計(jì)量、控制室內(nèi)溫度、自動(dòng)照明、窗簾打開(kāi)關(guān)閉、家用電器的遙控等方面。

ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問(wèn)控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL). 所有的服務(wù)實(shí)體都通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)SAP為上層提供一個(gè)接口，每個(gè)SAP都支持一定數(shù)量的服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功能[1]。應(yīng)用層包括：應(yīng)用支持子層APS，應(yīng)用框架AF，ZigBee設(shè)備對(duì)象ZDO以及用戶定義應(yīng)用對(duì)象。其MAC層采用避免沖突多載波信道接入CSMA-CA方式，主要負(fù)責(zé)傳輸信標(biāo)幀，同步以及提供可信賴的傳輸機(jī)制[2]。

2.3 UWB超寬帶協(xié)議

UWB無(wú)線通信是一種不用載波，而采用時(shí)間間隔極短(小于1ns)的脈沖進(jìn)行通信的方式，也稱做脈沖無(wú)線電、無(wú)載波通信。在系統(tǒng)方面，它具有性能強(qiáng)，發(fā)射信號(hào)功率譜密度低，傳輸速率高頻譜利用率高，系統(tǒng)復(fù)雜度低系統(tǒng)容量大，發(fā)射功率低等特點(diǎn)。在信道方面，它具有對(duì)信道衰落不敏感、低截獲能力、帶寬極寬等優(yōu)點(diǎn)[5]。

Motorola等公司倡導(dǎo)一種為基于窄脈沖的超寬帶技術(shù)，Intel公司所倡導(dǎo)類似于正交頻分技術(shù)的脈沖化多波超寬帶技術(shù)。該協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)尚未確定。根據(jù)美國(guó)FCC的報(bào)告，相對(duì)帶寬大于20%或總帶寬大于500MHz的系統(tǒng)就是超寬帶系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)技術(shù)之一直接調(diào)制具有很陡上升和下降時(shí)間的沖激脈沖，頻域上實(shí)現(xiàn)超帶寬。

它的應(yīng)用范同很廣，主要用于：家庭和個(gè)人網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線音頻、數(shù)據(jù)和視頻分發(fā)等；把UWB看作藍(lán)牙技術(shù)的替代者，可以連接電腦、打印機(jī)、無(wú)繩電話、PAD以及冰箱、彩電等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)個(gè)人信息終端的智能化互聯(lián)。

4 結(jié)語(yǔ)

智能家居的實(shí)現(xiàn)需要現(xiàn)代通信和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)搭建控制平臺(tái)，提升家居安全性、自動(dòng)控制性、舒適和藝術(shù)性，實(shí)現(xiàn)個(gè)人信息終端和家電設(shè)備的智能化互聯(lián)。本文重點(diǎn)分析了TCP/IP協(xié)議、Zigbee協(xié)議、UWB超寬帶協(xié)議，它們是搭建網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和控制系統(tǒng)的核心無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜軍朝.ZigBee技術(shù)原理與實(shí)戰(zhàn)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015(01).

[2]馬菁菁.Zigbee無(wú)線通信技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用研究[J].武漢理工大學(xué),2007(05).

[3]彭洪明.智能家居的體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].北京交通大學(xué)，2012(06).

[4]謝希仁.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].電子工業(yè)出版社,2004(10).

[5]李明晶.超寬帶技術(shù)淺談[J].吉林省經(jīng)濟(jì)管理干部學(xué)院學(xué)報(bào),2005(10).

作者簡(jiǎn)介：楊浩（1983-），男,河南鄭州人，碩士，中級(jí)工程師，主要研究方向：通信。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.129