智能家居網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)及功能

文/嚴(yán)凌

1　智能家居網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的選擇

目前，在智能家居領(lǐng)域中，常用的組網(wǎng)形式有兩種，一種是有線組網(wǎng)，另一種是無線組網(wǎng)。由于前者的穩(wěn)定性較高、通信速率快，加之技術(shù)成熟，從而使其在智能家居網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中得到了廣泛應(yīng)用。然而，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，這種組網(wǎng)技術(shù)方式，需要進(jìn)行復(fù)雜的線路布設(shè)，整體靈活性相對(duì)較差，不便于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展。而無線組網(wǎng)方式的出現(xiàn)，彌補(bǔ)了這些缺陷，其為智能家居的發(fā)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。在智能家居系統(tǒng)中，可以替代有線組網(wǎng)的無線組網(wǎng)技術(shù)有以下幾種：一是紅外技術(shù)。這是一種短距離通信標(biāo)準(zhǔn)，利用紅外線完成數(shù)據(jù)傳輸，由于紅外線的傳輸距離相對(duì)較短（最遠(yuǎn)距離約為10m左右），并且在數(shù)據(jù)通信的過程中，需要無障礙通道，所以該技術(shù)僅僅能夠完成點(diǎn)到點(diǎn)的無線通信，很難滿足物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用要求。二是藍(lán)牙技術(shù)。從傳輸距離上看，藍(lán)牙可以達(dá)到60m左右，雖然能夠在智能家居系統(tǒng)中應(yīng)用，但從整體效果上看卻比較一般。三是Wi-Fi技術(shù)。這是一種應(yīng)用較為廣泛的無線通信技術(shù)，也是目前使用最多的WLAN標(biāo)準(zhǔn)，其覆蓋范圍可以達(dá)到100m左右，最高的傳輸速率可達(dá)54Mbps。該技術(shù)的組網(wǎng)比較簡單，靈活性強(qiáng)，但設(shè)備本身的功耗較大，不符合節(jié)能的要求。四是ZigBee技術(shù)。該技術(shù)自出現(xiàn)以來受到業(yè)內(nèi)的普遍關(guān)注，對(duì)它的技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用始終都在持續(xù)不斷地進(jìn)行，并且取得了一定的成果。該技術(shù)有三個(gè)工作頻段，采用的是直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，在常規(guī)工作頻段下（2.4GHz）其數(shù)據(jù)傳輸速率能夠達(dá)到250kbps，覆蓋范圍可以達(dá)到數(shù)百米，可以滿足智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸要求。ZigBee具有非常強(qiáng)大的擴(kuò)展能力，由此使其可連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量能夠達(dá)到上萬個(gè)。鑒于此，在智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以利用無線組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的建立，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)的控制功能。

2　智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

由上文分析可知，在智能家居網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的選擇上，應(yīng)以無線組網(wǎng)方式作為首選，故此下面基于ZigBee技術(shù)對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析。

圖1：系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2.1　系統(tǒng)總體方案

本文所提出的智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：主控制器、協(xié)調(diào)器、溫濕度傳感器、照明開關(guān)節(jié)點(diǎn)等。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

在該系統(tǒng)中，各個(gè)功能模塊負(fù)責(zé)從相關(guān)節(jié)點(diǎn)采集信號(hào)，通過ZigBee協(xié)議與協(xié)調(diào)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通傳輸。在主控器的設(shè)計(jì)中，運(yùn)用嵌入式技術(shù)，可使遠(yuǎn)程PC機(jī)發(fā)出Http請(qǐng)求，對(duì)智能家居的狀態(tài)進(jìn)行查詢，同時(shí)顯示溫濕度及照明開關(guān)的情況，通過發(fā)送相關(guān)的操控指令，對(duì)智能家居進(jìn)行控制。

2.2　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)是基于ZigBee進(jìn)行構(gòu)建的，在ZigBee中，可以選用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種，一種是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，另一種是星型。由于前者的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，在設(shè)備分布較廣的系統(tǒng)比較適用，并不適合在智能家居系統(tǒng)中應(yīng)用。而后者適合小范圍的室內(nèi)應(yīng)用，如家居自動(dòng)化等。它的核心是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，在星型網(wǎng)絡(luò)中，所有的設(shè)備只能與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，構(gòu)建這種網(wǎng)絡(luò)形式時(shí)，建立協(xié)調(diào)器是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器需要為網(wǎng)絡(luò)選擇唯一的標(biāo)識(shí)符，處于星型網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的全部設(shè)備，都需要通過這個(gè)標(biāo)識(shí)符對(duì)自己的隸屬關(guān)系進(jìn)行規(guī)定。本系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，選用星型網(wǎng)絡(luò)。

2.3　系統(tǒng)主要功能

本系統(tǒng)具備溫濕度檢測、電器設(shè)備控制、數(shù)據(jù)顯示等功能。在溫濕度檢測方面，主要是借助傳感器來實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能，如測量家居的溫濕度，設(shè)定報(bào)警值，當(dāng)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)超過預(yù)先設(shè)定好的報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出報(bào)警信息，提醒用戶查看；對(duì)電器設(shè)備的控制則是按照高低電平，判斷設(shè)備的狀態(tài)，分析設(shè)備處于開啟或是關(guān)閉，并將結(jié)果通過Web服務(wù)器傳給用戶；在數(shù)據(jù)顯示上，可以按照用戶的選擇，對(duì)室內(nèi)溫濕度、空調(diào)設(shè)備以及照明開關(guān)等狀態(tài)信息，顯示在客戶端網(wǎng)頁和主控制器的液晶顯示屏上。

2.4　無線模塊設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，無線模塊的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由以下幾個(gè)部分組成：傳感器模塊、數(shù)據(jù)傳輸與處理模塊、電源模塊等。其中傳感器主要負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)控區(qū)域范圍內(nèi)溫濕度進(jìn)行采集，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)形式，傳給主控制器。在數(shù)據(jù)處理與傳輸模塊的設(shè)計(jì)中，選用JN5121系列模塊，該模塊具有32位RISC核心，集成ROM和RAM，由此可實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低成本構(gòu)建。溫濕度傳感器模塊選用的是國外某知名公司的產(chǎn)品，該傳感器具有響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可進(jìn)行數(shù)字式輸出，測量精度較高。電源模塊以堿性電池作為供電電源，采用穩(wěn)壓芯片，該芯片具有可調(diào)壓功能。

3　結(jié)論

綜上所述，時(shí)代的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，使得人們對(duì)生活品質(zhì)提出越來越高的要求，智能家居隨之應(yīng)運(yùn)而生。在對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的選擇和構(gòu)建及其相關(guān)功能的實(shí)現(xiàn)是比較重要的環(huán)節(jié)。本文基于ZigBee技術(shù)，對(duì)智能家居網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)及功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行論述，以期能夠?qū)Υ龠M(jìn)智能家居的應(yīng)用及發(fā)展有一定的幫助。