智能家居示范工程中的家庭組網(wǎng)問題分析

引言

智能家居，或稱智能住宅，在英文中常被稱為Smart Home。與智能家居的含義近似的還有家庭自動化(Home Automation)、電子家居(Electronic Home)、數(shù)字家園(Digital Family)、家庭網(wǎng)絡(Home Networking)、網(wǎng)絡家居(Network Home)及智能家庭 / 建筑(Intelligent home/building、，在香 港和臺灣等地區(qū)還有數(shù)碼家庭和數(shù)碼家居等稱法。

物聯(lián)網(wǎng)時代的智能家居表現(xiàn)為利用信息傳感設(shè)備(同居住 環(huán)境中的各種物品設(shè)備松耦合或緊耦合)將與家居生活有關(guān)的 各種子系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起，并與傳輸網(wǎng)絡連接起來，進 行監(jiān)控、管理信息交換和通訊，實現(xiàn)家居智能化。智能家居 系統(tǒng)一般包括智能家居控制管理系統(tǒng)、終端(家居傳感器終端、 智能控制器)、家庭網(wǎng)絡、信息中心等。

與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能， 能提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間，還應由原 來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ撸峁┤轿?的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化 人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安 全性，甚至能夠節(jié)約各類能源等。

物聯(lián)網(wǎng)大潮下的智能家居行業(yè)在中國乃至全世界都有廣 闊的前景，是一個朝陽行業(yè)。就目前的發(fā)展趨勢分析，預計在 今后的幾年內(nèi)，全世界將有近億的家庭構(gòu)建智能、舒適、高效 的家居生活。

1推動智能家居示范工程建設(shè)

隨著信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和國家政策的不斷導向，面對 智能家居的巨大市場，各行業(yè)中的領(lǐng)軍企業(yè)均推出了具有各自 特色的智能家居產(chǎn)品。例如，霍尼韋爾、海爾、三大移動運營商、 有線運營商、國家電網(wǎng)等叫均在大大小小的物聯(lián)網(wǎng)展會上出 現(xiàn)智能家居應用展示的身影，全方位地宣傳及真實場景的演示,

使普通民眾對智能家居有了非常直觀的了解。但是，如果智能 家居僅僅停留在應用演示上，而沒有真正深入到普通群眾生活 中，不能真正為普通群眾提供便利服務，就必然會喪失智能家 居所產(chǎn)生的初衷，也就更談不上推動社會的發(fā)展進步。

步入2012年以來，國家及各省、市級政府都著力推動物 聯(lián)網(wǎng)應用示范工程的建設(shè)。工信部制定的《物聯(lián)網(wǎng)“十二五” 發(fā)展規(guī)劃》中明確提出開展面向社會管理和民生服務領(lǐng)域的 物聯(lián)網(wǎng)應用示范，重點支持公共安全、醫(yī)療衛(wèi)生、智能家居 等領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應用示范工程。發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢，提升人 民生活質(zhì)量和社會公共管理水平，推動面向民生服務領(lǐng)域的 應用創(chuàng)新”叫智能家居應用示范不僅是目的，更是手段，通 過應用需求牽引，推動智能家居各項技術(shù)創(chuàng)新、標準研制和產(chǎn) 業(yè)培育。在智能家居應用示范過程中，通過創(chuàng)新應用模式來構(gòu) 建與各類智能家居應用相適應的運營模式和市場化運作機制， 形成一批模式新穎、機制靈活的成功案例和應用模板，并逐步 向更大范圍內(nèi)規(guī)?；茝V。

2家庭組網(wǎng)技術(shù)的選擇

智能家居示范工程建設(shè)與智能家居應用演示有著本質(zhì)的區(qū)別。應用演示主要用于展現(xiàn)各項奪人眼球的新應用、新產(chǎn)品， 展現(xiàn)智能家居的創(chuàng)新發(fā)展思路。但是，智能家居示范工程建 設(shè)卻必須要求能夠為普通民眾提供實實在在的生活服務。家 庭組網(wǎng)作為智能家居中的一項核心關(guān)鍵技術(shù)，必然要根據(jù)應 用演示和示范工程的目標不同而產(chǎn)生相應的變化，進而從不同 的角度對技術(shù)進行研究和驗證。

在各類展會上的智能家居應用演示中，具體組網(wǎng)技術(shù)的 選擇只需要能確保相應的演示效果即可。而在智能家居示范 工程中，家庭組網(wǎng)技術(shù)需要針對如下幾個方面進行研究驗證 后再進行選擇使用。

2.1家庭安防

智能家居要能夠真正為普通民眾提供生活服務，就要從 普通民眾的具體需求出發(fā)，以民眾的基本生活需求和感興趣 的業(yè)務應用作為選擇技術(shù)實現(xiàn)手段的驅(qū)動力。在智能家居的發(fā) 展過程中，運營商、家電廠商、IT企業(yè)等紛紛推出了豐富多樣 的智能家居體驗應用，不斷拓展智能家居所涵蓋的內(nèi)容。

家庭安防一般由兩方面內(nèi)容組成：家庭安防傳感節(jié)點監(jiān) 控以及視頻監(jiān)控。其中，家庭安防傳感節(jié)點包括門窗磁傳感器、 水漫傳感器、煙霧傳感器、燃氣傳感器等。家庭安防傳感節(jié)點 與家庭內(nèi)部核心控制節(jié)點之間需要有信息的交互，由于交互信 息數(shù)據(jù)量較小，提供窄帶傳輸即能滿足要求。而視頻監(jiān)控則 要求傳輸視頻流，對于數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高，因而需要能 夠提供寬帶傳輸。便利生活服務則是將后端服務平臺提供的 信息在家庭內(nèi)部顯示終端上進行展現(xiàn)，該項功能僅僅要求家 庭內(nèi)部能夠接入到外部互聯(lián)網(wǎng)即可。

可見，從普通民眾對智能家居的需求出發(fā)，要求家庭組 網(wǎng)能夠同時滿足寬帶加窄帶的網(wǎng)絡傳輸能力。在組網(wǎng)技術(shù)中, 有線組網(wǎng)技術(shù)均能提供較高的數(shù)據(jù)傳輸速率；而無線組網(wǎng)技 術(shù)中，特別是一般設(shè)計用于設(shè)備控制、節(jié)點間通信的組網(wǎng)技術(shù) （如ZigBee, Z-Wave等），通常只具備較低的數(shù)據(jù)傳輸速率［6］； Wi-Fi、Bluetooth4.0、UWB等技術(shù)所提供的數(shù)據(jù)傳輸速率一 般較高［7-8］。因此，要同時滿足智能家居各項應用需求，往往 需要結(jié)合多種組網(wǎng)技術(shù)，單純依靠一種組網(wǎng)技術(shù)是無法達到 全部目標的。

2.2家庭內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)

在智能家居應用演示中，展示廳通常都是設(shè)在同一平面 的一塊相對較小的敞開區(qū)域內(nèi)的，因此，對于家庭組網(wǎng)技術(shù)的 網(wǎng)絡拓撲無需做太多要求。但是，智能家居示范工程是要在 實際的居民家庭中進行建設(shè)，家庭內(nèi)部的建筑結(jié)構(gòu)必然需要 納入到網(wǎng)絡系統(tǒng)設(shè)計的考慮范圍之內(nèi)。

家庭內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)根據(jù)房產(chǎn)開發(fā)商的設(shè)計可以有多種戶 型樣式，而且住戶也可能根據(jù)自身需求，在家居裝修時對房屋 戶型結(jié)構(gòu)進行一定范圍內(nèi)的更改。家庭內(nèi)部不同房間內(nèi)的節(jié)點 設(shè)備之間需要進行通信，且各個房間之間都有墻體阻隔，因此 隔墻通信對家庭組網(wǎng)技術(shù)也提出了一定的特別要求。

對于有線組網(wǎng)技術(shù)來說，若房屋尚處建造階段或是內(nèi)部 裝修階段，貝何以在墻體內(nèi)布放相應線纜（電力線、同軸電纜、 以太網(wǎng)線等）來實現(xiàn)隔墻通信。而當房屋已經(jīng)建造并裝修完畢 后，有線組網(wǎng)就會存在兩種方式的問題：其一，如果不考慮在 墻體內(nèi)重新布放線纜，則需要通過已布放的線纜來進行信息 傳輸。通常在家庭內(nèi)部裝修時，只有電力線布放的范圍最為廣 泛，能夠覆蓋到整個家庭的各個房間角落，但是電力線組網(wǎng) 傳輸較容易受到外界環(huán)境及電器設(shè)備的影響（比如劣質(zhì)電源適 配器的影響）其二，如果考慮在墻體內(nèi)重新進行線纜排布, 則需要破壞已有的建造裝修成果，成本較大。

可見，針對已建造裝修完成的房屋，采用無線技術(shù)進 行組網(wǎng)較為合適。但是，無線組網(wǎng)技術(shù)在家庭內(nèi)部會受到墻 體影響，傳輸信號會逐步衰減。因此，需要設(shè)計采用合理的 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)來保證無線信號的傳輸質(zhì)量。在眾多無線組網(wǎng) 技術(shù)中，ZigBee技術(shù)所設(shè)計使用的樹形網(wǎng)絡路由器節(jié)點図、 Bluetooth技術(shù)所設(shè)計使用的散列網(wǎng)橋節(jié)點等，均能夠用來解 決家庭中隔墻傳輸信號的中繼問題。

2.3技術(shù)發(fā)展成熟度及產(chǎn)業(yè)化規(guī)模

智能家居示范工程的建設(shè)就是為了能夠打造智能家居產(chǎn) 業(yè)鏈，建立商業(yè)運營模式，并在以后能夠進行智能家居的大 規(guī)模推廣。受此建設(shè)目標的驅(qū)使，在不同于智能家居應用演示

中，可以采用最前沿的家庭組網(wǎng)技術(shù)，在智能家居示范工程 建設(shè)中，必須要針對家庭組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展成熟度、產(chǎn)業(yè)化規(guī) ?；蔚冗M行評估。

以無線組網(wǎng)技術(shù)為例，Z-Wave從設(shè)計之初就專用于家庭 自動化領(lǐng)域，包括照明控制、讀取儀表(水、電、氣)、家用電 器控制、身份識別、門禁窗禁防盜、預警火災等。與ZigBee相比, Z-Wave的工作頻段干擾少、功耗低、設(shè)備激活時間短[6]，但是, Z-Wave最為明顯的劣勢就是無國際標準作為技術(shù)根基，不利于 發(fā)展推廣，且芯片供應商短缺。據(jù)了解，在國內(nèi)進行Z-Wave模 塊開發(fā)的技術(shù)提供商屈指可數(shù)?？梢姡悄芗揖邮痉豆こ探ㄔO(shè) 并不適宜采用Z-Wave技術(shù)進行家庭內(nèi)部組網(wǎng)。

以有線組網(wǎng)技術(shù)為例，G.hn家庭聯(lián)網(wǎng)標準已經(jīng)于2010 年6月正式獲得ITU批準通過。G.hn的設(shè)計初衷是要解決既 有有線組網(wǎng)技術(shù)的問題，透過家庭內(nèi)部既有的同軸電纜、電 力線和電話線，以1 Gb/s的速率傳輸數(shù)據(jù)，并促進周邊媒體 的共存，更強調(diào)以低功耗的電源管理，來促進家庭網(wǎng)絡中智 能型裝置的應用[11]。ITU已于2011年12月發(fā)布了更完善的G.hn 標準，據(jù)業(yè)內(nèi)人士預計，搭載G.hn方案的機頂盒、家用網(wǎng)關(guān) 等產(chǎn)品將于2012年上半年登場?？梢姡m然G.hn家庭聯(lián)網(wǎng)標 準能夠兼容家庭內(nèi)部既有的電力線、同軸電纜及電話線，可使 家中各類設(shè)備無縫互連，同時支持數(shù)據(jù)傳輸、高清視頻、語 音服務、共享服務等所有家庭多媒體業(yè)務，但是，G.hn芯片 問世時間尚短，很多針對標準的研究還僅僅停留在技術(shù)理論 層面，市場化成本因素等還無法進行準確估計。鑒于搭載G.hn 方案的產(chǎn)品距離規(guī)?；瘧蒙杏幸欢螘r日G.hn組網(wǎng)技術(shù)同 樣并不適用于當前的智能家居示范工程建設(shè)。

2.4系統(tǒng)的擴展性

在各類展會的智能家居應用演示中，一旦布設(shè)好一套智 能家居系統(tǒng)，那么，在整個展會期間，基本不會再對該系統(tǒng) 進行任何升級和更新操作，而只需確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行即可。

但是，在智能家居示范工程建設(shè)過程中，家庭住戶的需 求通常是會發(fā)生改變的，例如家中增添了一些全新的設(shè)備或是 對原有設(shè)備提出了新的功能控制要求等。隨著科學技術(shù)的飛速 發(fā)展，我們無法預計到，在半年之后、一年之后會出現(xiàn)具備 何種功能的日常家居設(shè)備。若要在已建設(shè)好的智能家居系統(tǒng)中 能夠便捷地納入這些全新的家居設(shè)備，則要求智能家居系統(tǒng), 特別是家庭網(wǎng)絡要具備良好的可擴展性。對于家庭網(wǎng)絡的核心 控制節(jié)點而言，具備可擴展性尤為關(guān)鍵。原因是一旦家庭內(nèi)部 新增了一類全新的家居設(shè)備，并且要求該類設(shè)備節(jié)點能夠與核 心控制節(jié)點進行通信，那么就必然會產(chǎn)生兩個方面的要求：一 是核心控制節(jié)點要進行升級更新，增加控制新設(shè)備的相應功 能；二是設(shè)備節(jié)點在經(jīng)過配置后加入到已有的家庭網(wǎng)絡中。在 上述兩個方面要求中，核心控制節(jié)點升級更新的效率將會直接 對建設(shè)單位的運維成本以及家庭住戶的感知體驗產(chǎn)生影響。

通過對現(xiàn)有ZigBee組網(wǎng)產(chǎn)品學習研究的結(jié)果顯示，新 入網(wǎng)設(shè)備節(jié)點所需要的配置工作量相對較小，工程實施人員 在10 min左右即可完成相應的配置工作；但是，對于核心控 制節(jié)點的升級更新，目前尚無比較好的方案，而仍需要通過主 程序升級來實現(xiàn)，工作量相對較大。如何保證智能家居系統(tǒng) 能夠具備優(yōu)良的可擴展性，如何使家庭住戶新購置的家居設(shè) 備能夠方便地加入到家庭網(wǎng)絡中并接受控制，這些都是需要 進一步研究探討的問題，也是智能家居應用示范工程建設(shè)過 程中所必須要考慮并解決的問題。

3結(jié)語

綜上所述，在智能家居示范工程建設(shè)中，針對家庭組網(wǎng) 的問題，不僅要從家庭組網(wǎng)技術(shù)本身來進行理論分析，更要 從示范工程的實際需求與后續(xù)運營維護升級的角度來考慮。 通過選擇合適的家庭組網(wǎng)技術(shù)進行組合，打造滿足各類通信 要求的家庭網(wǎng)絡，實現(xiàn)家庭內(nèi)部區(qū)域的全覆蓋，從而為智能家 居各項業(yè)務應用的開展提供堅實的網(wǎng)絡通信基礎(chǔ)。

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