基于無線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計

云南中醫(yī)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院 楊福華 楊 宏 張喜成 劉妹萍 崔茂應(yīng)

基于無線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計

云南中醫(yī)學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院 楊福華 楊 宏 張喜成 劉妹萍 崔茂應(yīng)

本研究針對智能家居市場前景及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，重點闡述了單片機(jī)技術(shù)、ZigBee無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)及在智能家居系統(tǒng)中發(fā)揮的優(yōu)勢作用。最后對智能家居系統(tǒng)未來發(fā)展進(jìn)行了展望。

無線通信；智能家居；硬件；設(shè)計

隨著傳感器技術(shù)、RFID射頻技術(shù)和嵌入式技術(shù)的深入發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)成為了國內(nèi)外研究的熱點，掀起了繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)的信息產(chǎn)業(yè)第三大浪潮。物聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后最重大的科技創(chuàng)新之一，它作為全球關(guān)注的熱點戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)在我國已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略，被寫入“十二五”規(guī)劃[1]。隨著計算機(jī)技術(shù)與通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，“智能”已經(jīng)融入到人們的生活中，作用越來越明顯，從智能手機(jī)的誕生到現(xiàn)在智能家居的開發(fā)，人們越來越注重生活質(zhì)量，對住宅的要求也越來越高，已不滿足于單純的居住功能，“智能”將會加速改變我們的生活狀態(tài)，改變我們的商業(yè)思維，改變互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)。在物聯(lián)網(wǎng)生活環(huán)境下，用戶可以隨時通過職能設(shè)備獲取想要的服務(wù)。智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)中的一項新應(yīng)用領(lǐng)域，成為專家學(xué)者、研發(fā)機(jī)構(gòu)、公司等的研究熱點，物聯(lián)網(wǎng)給智能家居的發(fā)展帶來了嶄新的發(fā)展機(jī)遇[2]。

傳統(tǒng)的家居系統(tǒng)已逐漸跟不上時代的步伐，已不能滿足人們對高品質(zhì)生活的需求，一批新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)給智能家居的發(fā)展帶來了新的曙光，追求安全、舒適、方便、智能化的居住環(huán)境成為人們向往的家居對象。如何讓人們可以更加便捷，更加隨意的享受自己的家庭生活，讓科技帶來的成果給人們帶來便利，因此，智能家居具有廣泛的發(fā)展前景。

1.智能家居的定義

智能家居也被稱之為智能住宅，英文名稱為“Smart Home”。所謂的智能家居是自動化控制技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，通過綜合采用先進(jìn)的計算機(jī)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和自動控制技術(shù)，依托住宅平臺，建立一個由家庭安全防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)接入和防盜報警燈系統(tǒng)組成的家庭綜合服務(wù)與管理集成系統(tǒng)，提升家居安全性、舒適性、便利性，從而實現(xiàn)“以人為本”的全新家居生活體驗[3]。

2.智能家居國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 智能家居國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外在很早的時候就有了智能家居的樣本，研究起步較早，技術(shù)手段較為成熟。1984年，美國改造的第一幢智能建筑成為世界上最早的智能家居，隨后許多經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的西方國家紛紛提出了各式各樣的智能家居方案。第一幢智能建筑利用計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)備的監(jiān)控和語音服務(wù)。隨后智能家居被許多國家廣泛應(yīng)用，如韓國、日本、新加波等國家。新加坡推出的表抄送，安全系統(tǒng)寬帶接入，電話接入，控制平臺等智能家居系統(tǒng)較為有名，它的出現(xiàn)給智能家居的研究拓展了思維，設(shè)計思想素材得到了豐富積累。IBM公司也曾聯(lián)合意法半導(dǎo)體，為了最大程度解決行動不便的人提供便利，推出了通過手勢與語音識別命令的云端智能家居系統(tǒng)[4]。從此，智能家居生活成為了現(xiàn)實，智能家居市場也迅速成熟起來。

根據(jù)statista美國智能家居行業(yè)的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2016年智能家居市場廣闊，需求龐大，市場容量穩(wěn)步增長，美國以97.125億美元的市場容量成為全球最大的智能家居國家。美國智能家居不再滿足功能上的自動化，打造舒適、健康、環(huán)保、安全、娛樂為一體的智能理念。

智能家居作為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，得到了許多知名公司的青睞與關(guān)注，許多知名公司也開始大力研發(fā)智能家居產(chǎn)品，并且推出了一些功能比較全面的產(chǎn)品，比如 IBM 的“家庭主任”、Motorola 旳“居所之門”、微軟的“夢幻之家”等，給更多的人生活帶來了便利，人們對智能家居產(chǎn)品充滿了期待[5]。

三星公司提出的智能家居解決方案是韓國最具代表性的企業(yè)，該系統(tǒng)通過機(jī)頂盒和網(wǎng)絡(luò)，將家居自動化控制、信息家電、安防設(shè)備以及娛樂和信息中心這四部分集成一個全面的、面向?qū)拵Щヂ?lián)網(wǎng)的家居控制網(wǎng)絡(luò)[6]。

西班牙智能家居系統(tǒng)設(shè)計與其他國家相比特色鮮明，藝術(shù)氛圍濃厚，與眾不同的設(shè)計吸引很多國家效仿。它將傳統(tǒng)歐式風(fēng)格的建筑內(nèi)進(jìn)行智能化家居系統(tǒng)的升級改造，充滿了便利、舒適、柔和的藝術(shù)氣息。

智能家居在市場上占據(jù)了一定的規(guī)模， 2015年市場成交量高達(dá)485億美元，增速較以前相比趨勢漸緩，但每年仍有80億美元左右的成交量在穩(wěn)步提升。根據(jù)GfK報告表明，未來幾年智能家居將會對人們的生活產(chǎn)生直接的影響。

2.2 智能家居國內(nèi)研究現(xiàn)狀

智能家居市場隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提升，在中國的市場具有良好的發(fā)展前景。這就導(dǎo)致越來越多的公司，甚至知名企業(yè)在市場需求這只無形大手的推動下，開始投入大量的財力和人力來研發(fā)智能家居。近年來，人們的生活中逐漸開始接受和使用智能電器和智能軟件。過去國內(nèi)生產(chǎn)的智能家居產(chǎn)品成本高，拼湊嚴(yán)重的標(biāo)簽慢慢淡化，用戶體驗較過去相比有了大幅度的改善。我國企業(yè)自主研發(fā)的海爾的U-home家庭和清華同方的ehome數(shù)字家園受到了很多用戶的青睞和贊賞[7]。

我國智能化家居起步相對較晚，豪華和高檔的智能化住宅大多以國外成熟產(chǎn)品為主；但隨著普通家居用戶需求的增多，國內(nèi)一些有實力和產(chǎn)品研究開發(fā)較成功的公司也正在逐漸占領(lǐng)一定份額的智能化家居市場，國內(nèi)智能家居已走過將近20年的發(fā)展歷程，根據(jù)發(fā)展歷程大約分為四個階段：

（1）第一個階段（1994-2000）：這個階段稱為萌芽期，國內(nèi)并沒有一家專業(yè)的研究機(jī)構(gòu)或公司從事智能家居的生產(chǎn)和研發(fā)，智能家居在人們的印象中僅僅只是概念產(chǎn)品。智能家居此時在中國是第一個發(fā)展階段，此時稱之為智能小區(qū)期，國內(nèi)僅有一兩家國外代理銷售的公司，產(chǎn)品幾乎只是銷售給居住國內(nèi)的外國人。

（2）第二個階段（2000-2005）：開創(chuàng)期，國內(nèi)開始注重完善技術(shù)培訓(xùn)體系，開始策劃市場營銷方案，五十多家智能家居自主研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)先后在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)成立。此階段，國內(nèi)沒有進(jìn)口國外產(chǎn)品。

（3）第三個階段（2006-2010）：與其說徘徊期不如說低迷期，上階段智能家居市場得到了空前的發(fā)展，很多企業(yè)看到了良好的前景，此時市場出現(xiàn)了不正當(dāng)競爭，給智能家居帶來了很多負(fù)面影響：廠商只顧擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，只想迅速占領(lǐng)市場，忽略了后期服務(wù)和對代理商的技術(shù)培訓(xùn)，導(dǎo)致代理商經(jīng)營困難，紛紛開始轉(zhuǎn)行，用戶對售后滿意度下降，開始摒棄智能產(chǎn)品；過分夸大宣傳功能而實際體驗的過程中無法達(dá)到這個效果。越來越多的用戶開始質(zhì)疑其效果，加之媒體由原來的大肆宣揚(yáng)變?yōu)橹?jǐn)慎，很多代理商開始轉(zhuǎn)行，市場銷售開始走下坡路，加之國外的智能家居品牌不斷涌入我國市場，國內(nèi)部分企業(yè)開始將目光投向其他市場，許多企業(yè)在經(jīng)過產(chǎn)品改良、縮減規(guī)模、人員調(diào)整等措施后也存活下來，找到了發(fā)展的方向。

（4）第四個階段（2011-2020）：融合演變期，2011年以來，房地產(chǎn)市場勢如破竹，加之政府宏觀調(diào)控，發(fā)展非常迅速，智能家居市場也逐漸回暖，許多廠商看到了發(fā)展前景，加大了技術(shù)、資金投入，智能家居由徘徊期進(jìn)入了新一輪的融合演變期。智能家居市場開始進(jìn)入到相對穩(wěn)定的發(fā)展階段，為方便用戶使用和后期維護(hù)，不同廠商之間的協(xié)議與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開始主動互通和融合[8]。

為推動信息化、智能化城市發(fā)展，我國政府提出了大力發(fā)展寬帶普及、寬帶提速降費，加快推動信息消費持續(xù)增長擴(kuò)大內(nèi)需的若干意見，這都為智能家居、物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的保障。

3.基于無線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的硬件方案設(shè)計

3.1 硬件相關(guān)

ARM 是英國 ARM 公司提供的一種硬件技術(shù)，架構(gòu)具有極高的性價比和代碼密度，它是存在于互聯(lián)網(wǎng)與家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)之間的節(jié)點，功耗低以及能夠?qū)崟r中斷響應(yīng)的優(yōu)勢讓其在微處理器中更具優(yōu)勢，更有核心競爭力。ARM 架構(gòu)目前成為智能家居系統(tǒng)中的首選平臺。本系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心處理芯片選擇了美國TI公司的CC2530芯片。

CC2530 芯片是 TI 公司出品的一款支持 ZigBee 2007 協(xié)議的無線射頻單片機(jī)，能夠兼容傳統(tǒng)的 51 單片機(jī)，是專業(yè)的 ZigBee 應(yīng)用芯片，有三個不同的存儲器訪問總線 SFR、DATA 和 CODE/XDATA。CC2530系統(tǒng)內(nèi)可允許編程閃存，兼容增強(qiáng)型8051CPU和8-KB RAM具備的功能，二期還吸納了RF 收發(fā)器良好性能。 CC2530 芯片的閃存容量為：32KB、64KB、128KB和256KB。CC2530芯片應(yīng)用靈活方便，接通部門外接電路即可正常工作，且能夠快速的在運(yùn)行模式下靈活轉(zhuǎn)換，被廣泛應(yīng)用于超低功耗限制的系統(tǒng)中[9]。任何中斷指令都可以使閑置的CC2530 芯片恢復(fù)到主動模式。應(yīng)用原理圖如圖1所示。

3.2 協(xié)議相關(guān)

ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，通過無線通信組成網(wǎng)絡(luò)，依托一個獨立的工作節(jié)點，可以組成星型、樹型、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

圖1 CC2530應(yīng)用原理圖

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組網(wǎng)簡單，整個網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)由中心節(jié)點ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)，其他節(jié)點直接與中心節(jié)點進(jìn)行通信。

簇狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)由協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)，網(wǎng)絡(luò)地址中的分配，可以延伸出很多分支和子分支，擴(kuò)展需要借助ZigBee路由器，協(xié)調(diào)器與每個節(jié)點的通信需經(jīng)過路由器后才能進(jìn)行，但協(xié)調(diào)器不一定直接與網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點進(jìn)行通信。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較靈活，節(jié)點之間的通信可以尋找最優(yōu)路徑進(jìn)行，建立網(wǎng)絡(luò)的時候不收網(wǎng)絡(luò)形狀限制。

ZigBee是建立在低功耗局域網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4協(xié)議上?？梢郧度敫鞣N設(shè)備，它是一種便宜的、低功耗的近距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，PHY和MAC遵循 IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了NWK、TL和APL。ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示[10’11]。

圖3 ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)將軟件固化集成到硬件系統(tǒng)中，軟硬件可裁剪，是一種為特定應(yīng)用而設(shè)計的完全嵌入受控器件內(nèi)部專用計算機(jī)系統(tǒng)。伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，故能夠提供更多的網(wǎng)絡(luò)，性能較過去相比更加卓越。軟件代碼小、可靠性高、系統(tǒng)精簡、專用性強(qiáng)、相應(yīng)速度快等優(yōu)點得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

嵌入式系統(tǒng)通常用成本很敏感的特定專用設(shè)備上，有時對實時響應(yīng)技術(shù)要求很高，且通常用在處理器、存儲器等硬件資源非常有限的設(shè)備上。特別是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能家居的廣泛推廣，嵌入式系統(tǒng)發(fā)揮的作用和效果顯現(xiàn)得更加明顯。

源代碼公開，任何人都可以免費下載并且可以根據(jù)自己的特殊應(yīng)用而隨意修改是 Linux 嵌入式操作系統(tǒng)最大的特點，成為了人們較為喜歡的嵌入式操作系統(tǒng)。Linux 操作系統(tǒng)遵循 GPL協(xié)議，使得用戶無需要繳納許可證費，還可以在網(wǎng)絡(luò)上使用許多源碼開放的應(yīng)用程序。[12]

uClinux是Lineo公司的主打產(chǎn)品，表示micro-Control-Linux，是針對目標(biāo)處理器沒有MMU的高度優(yōu)化的、代碼緊湊、體檢小的嵌入式Linux系統(tǒng)而設(shè)計，被成功地移植到很多的平臺上。具備穩(wěn)定、良好的移植性、支持多款CPU、優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)功能等優(yōu)點，是開放源代碼中很受歡迎的操作系統(tǒng)[13]。

3.4 嵌入式網(wǎng)關(guān)功能相關(guān)

嵌入式網(wǎng)關(guān)（中央控制器）作為本設(shè)計的核心，具有非常重要的作用，它的設(shè)計起到了關(guān)鍵性的作用。嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計需考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定和高可靠性來保證系統(tǒng)具有良好的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)的升級維護(hù)、擴(kuò)展和兼容不容小覷，硬件平臺在設(shè)計時還應(yīng)充分考慮內(nèi)部資源和外部擴(kuò)充接口。此外，軟件的設(shè)計與操作系統(tǒng)的選擇與硬件平臺的設(shè)計有著直接的影響。

嵌入式網(wǎng)關(guān)（中央控制器）相當(dāng)于人的大腦，應(yīng)具備強(qiáng)大的處理及控制能力，在設(shè)計時不僅要用實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)、因特網(wǎng)、移動網(wǎng)絡(luò)三種網(wǎng)絡(luò)之間的通信，還可以用來進(jìn)行本地控制的功能，在處理器外圍需擴(kuò)展外圍電路及接口，設(shè)計的目的用于觸摸屏的數(shù)據(jù)顯示和本地控制；與4G網(wǎng)絡(luò)連接的GPRS無線模塊；用于連接因特網(wǎng)的以太網(wǎng)接口；中央控制器能夠正常工作需要的電源電路、存儲模塊及JTAG接口調(diào)試等。

3.5 智能設(shè)備控制及命令相關(guān)

本系統(tǒng)對中央控制器硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計如圖4所示：

圖4 中央控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

嵌入式微處理器有ARM、POWER PC、MIPS、和基于X86的386EX。是由通用計算機(jī)中的CPU演變而來，價格相對昂貴，除去冗余功能部分，能夠以較低的功耗和資源實現(xiàn)特殊要求的嵌入式應(yīng)用，性能較高。

電源電壓：通過一個外置的5V電源適配器為中央控制器提供電源，則在核心處理芯片可得到3.3V的I/O 口電壓和1.2V的內(nèi)核電壓。

ARM嵌入式微處理器現(xiàn)有的技術(shù)對時鐘的穩(wěn)定性、監(jiān)控電源的可靠性有較高的要求，因為目前是通過提高主頻來實現(xiàn)高的處理速率，通過技術(shù)工藝的更新生產(chǎn)尺寸更小的芯片或者降低工作電壓來降低功耗來實現(xiàn)，這就導(dǎo)致嗓聲門限較低，波紋抵抗力和瞬態(tài)響應(yīng)能力都有所減低。

ARM系統(tǒng)常見的調(diào)試方式有指令集模擬器、Resident Monitors及JTAG仿真器。目前采用最多的一種方式實施JATG調(diào)試方式，基本原理是在器件內(nèi)部定義一個測試訪問口（TAP），通過監(jiān)控引腳的信號達(dá)到芯片測試目的，還允許多個器件通過接口串聯(lián)在一起，形成JATG鏈，實現(xiàn)對各個器件分別測試。

4.總結(jié)與展望

隨著人們物質(zhì)生活水平的快速提高，舒適、便利、環(huán)保成為人們追求美好生活充滿了向往。高節(jié)奏的生活給人們帶來的壓力也越來越大，提高效率、提供更加優(yōu)質(zhì)服務(wù)、減少繁瑣家務(wù)的智能化家居系統(tǒng)逐漸走入了普通家庭中。智能家居已經(jīng)顛覆了人們家居的印象，已經(jīng)展示出了非凡的應(yīng)用價值，智能家居具有很大的市場空間，但技術(shù)和應(yīng)用都談不上成熟，大規(guī)模生產(chǎn)投入市場還尚需時日。目前當(dāng)前的智能家居市場在經(jīng)歷“偽需求”、“體驗冗余”、“入口誤區(qū)”后，很多企業(yè)抓住了商機(jī)，加大了投入力度，推動了整個智能家居行業(yè)的快速發(fā)展，尤其是終端廠商、互聯(lián)網(wǎng)公司、視頻網(wǎng)站、運(yùn)營商智能家居四大陣營，各種商業(yè)模式，將智能家居市場炒得風(fēng)生水起，但與此同時，真正讓消費者買單的產(chǎn)品卻寥寥可數(shù)。當(dāng)智能家居形成了一定行業(yè)規(guī)范，技術(shù)手段成熟，真正能夠?qū)⒖萍汲晒旄Ｉ鐣⒃旄Ｈ祟惖臅r候，才能真正得到消費者的青睞，才能有更加廣闊的市場空間，才能創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展，科技贏得未來。

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Hardware design of smart home system based on wireless communication technology

Yang Fu-hua，Yang Hong，Zhang Xi-cheng，Liu Mei-ping，Cui Mao-ying
(Yunnan University of Traditional Chinese Medicine，Yunnan Kunming，650500)

The research for the intelligent Home Furnishing market prospects and development situation at home and abroad were made，focusing on and play dominant role in the intelligent Home Furnishing system on chip technology，ZigBee wireless communication technology，embedded technology.Finally，the future development of smart home system is prospected.

Wireless communication；smart home；hardware；design

云南中醫(yī)學(xué)院2017年度教育科學(xué)研究課題（項目號：ZD170204）。

楊福華，男，碩士，助教，研究方向：網(wǎng)絡(luò)教育及教育技術(shù)應(yīng)用。

崔茂應(yīng)，男，副教授，主要研究方向為計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。