家庭物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用

摘要：智能家居系統(tǒng)主要由家庭物聯(lián)網(wǎng)、家庭無線局域網(wǎng)和外網(wǎng)組成，ZigBee技術(shù)具有低成本、高可靠性、功耗低等優(yōu)點，主要用以構(gòu)成家庭物聯(lián)網(wǎng)部分。設(shè)計了一個基于ZigBee技術(shù)的家居智能控制系統(tǒng)，重點闡述了ZigBee技術(shù)、系統(tǒng)的設(shè)計方案、智能插座及數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議等，其中智能插座是智能家居的核心部分，它具有用電狀態(tài)監(jiān)測、通信組網(wǎng)等功能。該系統(tǒng)已經(jīng)在紹興電力局智能小區(qū)試點正常運行，性能良好，具有較高的可用性和可靠性，市場前景較好。
關(guān)鍵詞：智能家居；家庭物聯(lián)網(wǎng)；智能插座；ZigBee

0 引言
    智能家居系統(tǒng)是一個開放的、使用了多項高新技術(shù)的智能化、人本化的集成型家居系統(tǒng)，它把寬帶互聯(lián)網(wǎng)、家電設(shè)備、家居自動化和家庭安全防護防盜有機地結(jié)合到一起。家庭智能控制器是家庭網(wǎng)絡(luò)的樞紐，通過家庭智能控制器可以對家庭網(wǎng)絡(luò)中的信息家電進行中央監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制。
    現(xiàn)階段家庭系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)的方式主要為有線接入，目前最流行的有線寬帶接入技術(shù)是ADSL(非對稱數(shù)字用戶線)和HFC(同軸光纖混合網(wǎng))。然而，現(xiàn)有的無線通信網(wǎng)絡(luò)也具備了為數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)提供一定傳輸速率的能力，如ZigBee網(wǎng)絡(luò)理論上能夠提供高達250Kb／s的傳輸速率，完全滿足信息家電控制信息傳輸?shù)囊螅哉f，家庭網(wǎng)絡(luò)無線通信方式具有廣闊的發(fā)展前景。
    智能家居系統(tǒng)由家庭物聯(lián)網(wǎng)、家庭無線局域網(wǎng)及外部網(wǎng)3個網(wǎng)絡(luò)組成。家庭物聯(lián)網(wǎng)通過可靠的全覆蓋的無線網(wǎng)絡(luò)(ZigBee、小無線、電力線載波等)組建的家庭物聯(lián)網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和管理中心組成。家庭無線局域網(wǎng)的通信模塊通過WiFi組建的家庭高速局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)采用TCP／IP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。外部網(wǎng)可以是小區(qū)局域網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、電話網(wǎng)和Internet等，大多采用比較成熟的技術(shù)。
    本文使用ZigBee技術(shù)來設(shè)計家庭物聯(lián)網(wǎng)，通過智能插座控制各種家電設(shè)備及照明系統(tǒng)，將智能用電業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)計量、有序用電管理與智能控制結(jié)合的新一代智能家居系統(tǒng)。

1 ZigBee技術(shù)特點
    ZigBee技術(shù)是近年來新興的一種無線技術(shù)，相比以太網(wǎng)、GPRS及CDMA等遠(yuǎn)距離通信技術(shù)，具有短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、短時延、大容量、通信可靠性高等特點，與藍牙、WiFi等近距離無線通信技術(shù)相比，盡管傳輸速率低，但是具有功耗低，電池壽命長的最大優(yōu)
點。ZigBee采用的物理、MAC層協(xié)議是IEEE 802．15．4，它工作在868 MHz，915 MHz和2．4 GHz三種工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，其中，2．4 GHz頻段在全球免費使用。綜上所述，ZigBee技術(shù)的特點非常適合應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)，因此在紹興電力局智能小區(qū)試點中家庭物聯(lián)網(wǎng)采用ZigBee技術(shù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案
    本文的智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    整個系統(tǒng)由智能家居的網(wǎng)關(guān)和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)組成，主要實現(xiàn)對家電、照明系統(tǒng)、安防系統(tǒng)的控制等功能。

3 智能插座
    智能插座主要用于控制電視機、電冰箱等類似電器設(shè)備，它不僅具有普通插座的通斷功能，還具備計量、通信等功能，支持遠(yuǎn)程管理，用戶可以根據(jù)實際應(yīng)用需要進行選擇。智能插座主要由通信模塊、計量模塊、電源模塊、輸出控制電路、保護電路、按鍵電路和顯示模塊組成，主板電路芯片如圖2所示。

4 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議
4．1 數(shù)據(jù)鏈路層
    本協(xié)議為主-從結(jié)構(gòu)的半雙工通信方式。手持單元或其他數(shù)據(jù)終端為主站，智能插座為從站。每個智能插座均有各自的地址編碼。
    通信鏈路的建立與解除均由主站發(fā)出的信息幀來控制。
    每幀由幀起始符、從站地址域、控制碼、數(shù)據(jù)域長度、數(shù)據(jù)域、幀信息縱向校驗碼及幀結(jié)束符7個域組成。每部分由若干字節(jié)組成。
4．2 字節(jié)格式
    每字節(jié)含8位二進制碼，傳輸時加上一個起始位(0)、一個偶校驗位和一個停止位(1)，共11位。其傳輸序列如圖3。DO是字節(jié)的最低有效位，D7是字節(jié)的最高有效位。先傳低位，后傳高位。

4．3 數(shù)據(jù)標(biāo)識
4．3．1 數(shù)據(jù)標(biāo)識結(jié)構(gòu)
    數(shù)據(jù)標(biāo)識編碼用4個字節(jié)區(qū)分不同數(shù)據(jù)項，4個字節(jié)分別用D13，D12，DI1和DI0代表，每字節(jié)采用16進制編碼。數(shù)據(jù)類型分為7類：電能量、最大需量及發(fā)生時間、變量、事件記錄、參變量、凍結(jié)量、負(fù)荷記錄。
4．3．2 幀格式
    幀是傳送信息的基本單元。幀格式如圖4所示。
4．3．3 數(shù)據(jù)傳輸形式
    數(shù)據(jù)標(biāo)識碼標(biāo)識單個數(shù)據(jù)項或數(shù)據(jù)項集合。當(dāng)請求訪問由若干數(shù)據(jù)項組成的數(shù)據(jù)集合時，可使用數(shù)據(jù)塊標(biāo)識碼。實際應(yīng)用以數(shù)據(jù)標(biāo)識編碼表定義內(nèi)容為準(zhǔn)。

5 結(jié)語
    本文在ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計家庭物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低、性能高、功耗低的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在紹興電力局的智能小區(qū)試點項目上，所設(shè)計的智能家居系統(tǒng)具有電力特色，可以完成電力業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)計量、家庭用能信息管理、模式控制達到節(jié)約能源，減少能源消耗的目的。另一方面，智能家居具有可視對講、家電本地和遠(yuǎn)程控制、安防報警等家居智能化設(shè)計，使用戶享受家居智能化的舒適和方便的同時，也可以實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保、降低家庭能源消耗，從而達到生活智能化的目標(biāo)，為實現(xiàn)更好的智能家居系統(tǒng)提供了一個良好的解決方案。