1　引言 

　　智能家居是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、圖像顯示技術(shù)以及通信技術(shù)將各種設(shè)施通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到一起，從而滿足整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化要求，能夠提供更便捷的控制和管理。傳統(tǒng)的智能家居實(shí)現(xiàn)一般是通過(guò)有線線路的布線方式對(duì)樓宇設(shè)施進(jìn)行控制和通信，很難脫離各種線纜的束縛、安裝成本較高，而且系統(tǒng)的擴(kuò)展性也很差?；跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)不僅可以擺脫線纜的束縛、降低安裝成本，而且系統(tǒng)的擴(kuò)展性也有了大幅度的提高。

　　2　智能家居系統(tǒng)概述

　　智能家居系統(tǒng)可以劃分為外網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)和內(nèi)網(wǎng)3個(gè)部分。外網(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)。內(nèi)網(wǎng)則是用于互連家庭內(nèi)部各種家電、設(shè)備的局域網(wǎng)，由于所連接的設(shè)備千差萬(wàn)別，其組網(wǎng)形式也表現(xiàn)出很大的多樣性。家庭內(nèi)網(wǎng)根據(jù)其功能大體上分為3類(lèi)：用于實(shí)現(xiàn)控制功能的控制網(wǎng)絡(luò)，用于交換數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和用于傳輸音頻和視頻的多媒體網(wǎng)絡(luò)。家庭網(wǎng)關(guān)是連接家庭內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，將內(nèi)網(wǎng)接入外網(wǎng)，為外網(wǎng)提供對(duì)家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的控制功能；同時(shí)家庭網(wǎng)關(guān)允許家庭內(nèi)部可以采用不同的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用網(wǎng)關(guān)為不同的通信子網(wǎng)提供橋接的能力，使各子網(wǎng)內(nèi)的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間可以相互通信。智能家居系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　?。?）家電網(wǎng)絡(luò)：家庭內(nèi)部各家用電器(冰箱、空調(diào)、電視、微波爐、洗衣機(jī)、照明等)通過(guò)有線或無(wú)線結(jié)連組成網(wǎng)絡(luò)，交換信息。 
　　（2）安全防護(hù)：包括小區(qū)周邊防護(hù)、家庭可視對(duì)講、門(mén)禁控制、防盜報(bào)警、防火災(zāi)、防燃?xì)庑孤缏┑龋?
　?。?）高速信息接入：Internet、視頻電話、小區(qū)局域網(wǎng)等通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)入家庭。
　　（4）小區(qū)服務(wù)：小區(qū)管理中心可以對(duì)轄區(qū)內(nèi)設(shè)備、環(huán)境實(shí)施監(jiān)控和管理。

　　智能家居系統(tǒng)重點(diǎn)考慮的是家庭內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)，主要包括智能家居網(wǎng)關(guān)和家庭智能傳感器節(jié)點(diǎn)2個(gè)部分。智能家居網(wǎng)關(guān)是家庭資源管理和配置中心，完成家庭組網(wǎng)和節(jié)點(diǎn)控制等功能。智能家居的網(wǎng)關(guān)通過(guò)組網(wǎng)技術(shù)連接家庭網(wǎng)絡(luò)中各傳感器開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議對(duì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的管理和控制，對(duì)外作為家庭網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的信息的交互接口。智能家居能實(shí)現(xiàn)的各種功能，如：家庭監(jiān)控、內(nèi)外信息交互、能源管理、家庭安防、場(chǎng)景設(shè)置等都離不開(kāi)智能家居網(wǎng)關(guān)的支持，許多功能都是基于智能家居網(wǎng)關(guān)而實(shí)現(xiàn)的。

　　3　智能家居的關(guān)鍵技術(shù)

　　智能家居中的關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性決定了整個(gè)智能家居系統(tǒng)的穩(wěn)定性。智能家居中的通信方式大致分為有線和無(wú)線2種。有線方式有電力線載波(PLC)、以太網(wǎng)和有線局域網(wǎng)等。

　　無(wú)線方式可分為兩大類(lèi):一是基于蜂窩的接入技術(shù)，如蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)(CDPD)，通用分組無(wú)線傳輸技術(shù)(GPRS)，EDGE等；二是基于局域網(wǎng)的技術(shù)，如ZigBee、IEEE802.11W LAN、藍(lán)牙（Bluetooth）、紅外通信技術(shù)、Wi-Fi和超寬帶(UWB)技術(shù)等。無(wú)線方式的優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)需布線，大大降低了施工難度。

　?。?）無(wú)線傳感器技術(shù)的概念

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks WSNs)是由眾多傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。其目的是感知、采集和轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的感知對(duì)象的各種信息，并發(fā)送給觀測(cè)者。傳感器節(jié)點(diǎn)、感知對(duì)象和觀測(cè)者是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)組成部分：無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是傳感器之間、傳感器節(jié)點(diǎn)與觀測(cè)者之間的通信基礎(chǔ)，用于在傳感器與觀測(cè)者之間建立通信路徑；感知、采集、處理、發(fā)送感知信息是傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的部分或全部節(jié)點(diǎn)可以移動(dòng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布形狀也會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而不斷地動(dòng)態(tài)變化。傳感器節(jié)點(diǎn)由電源、傳感器元器件、處理器CPU、存儲(chǔ)器、通信部件和軟件幾部分構(gòu)成。

　　與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)相比，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：感知范圍擴(kuò)大、容錯(cuò)性能提高、測(cè)量的準(zhǔn)確性提高、成本降低，此外，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很高的智能性，部署方便，可以長(zhǎng)期在無(wú)人干預(yù)的環(huán)境中自主工作。大大降低了使用和維護(hù)的成本。

　?。?）無(wú)線傳感器技術(shù)的特點(diǎn)
 
　　近年來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，從人工操作的無(wú)線電報(bào)網(wǎng)絡(luò)到使用擴(kuò)頻技術(shù)的自動(dòng)化無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域隨著技術(shù)的進(jìn)步不斷地?cái)U(kuò)展。目前主流的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如：IEEE8O2.11、IEEE802.15.3(Bluetooth)、IEEE802.15.4(ZigBee)都是為了數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)的。

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)如下：

　　規(guī)模大：傳感器網(wǎng)絡(luò)可能包含多達(dá)成千上萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。

　　高冗余：為了保證網(wǎng)絡(luò)的可用性和生存能力，傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有較高的節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余，以及采集的數(shù)據(jù)冗余。

　　拓?fù)湟鬃兓撼斯?jié)點(diǎn)移動(dòng)帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，傳感器?jié)點(diǎn)的功率控制和剩余電量下降等因素也會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?。另外，根?jù)應(yīng)用需要，網(wǎng)絡(luò)中有些節(jié)點(diǎn)可能進(jìn)入休眠狀態(tài)，從而引起工作節(jié)點(diǎn)在數(shù)目和分布上的變化，導(dǎo)致拓?fù)涓淖儭?

　　專(zhuān)用：傳感器網(wǎng)絡(luò)是針對(duì)某種數(shù)據(jù)采集需求而專(zhuān)門(mén)建立的。

　　空間位置尋址：用戶往往不關(guān)心數(shù)據(jù)采集于哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而關(guān)心數(shù)據(jù)所屬的空間位置，因此可采取空間位置尋址方式，而不必采用Internet的IP尋址方式。

　　自組織：網(wǎng)絡(luò)的建立和節(jié)點(diǎn)間通信不依賴(lài)于固定的通信基礎(chǔ)設(shè)施。傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)分布式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮f(xié)議實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)調(diào)整以適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)、添加和退出、剩余電量和無(wú)線傳輸范圍的變化等。

　　流量不均衡：傳感器網(wǎng)絡(luò)流向處理中心的數(shù)據(jù)量往往遠(yuǎn)大于反方向的流量。數(shù)據(jù)流向處理中心且在處理中心集中，會(huì)出現(xiàn)離處理中心越近，節(jié)點(diǎn)負(fù)載越重的現(xiàn)象。

　　4　無(wú)線傳感器技術(shù)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　?。?）系統(tǒng)功能模塊組成

　　智能家居系統(tǒng)是一種基于單片機(jī)的可通過(guò)電話、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)及控制家居設(shè)備的控制系統(tǒng)。智能家居網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)采集、命令控制模塊和TCP/IP協(xié)議模塊實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化，命令控制分為3種模式:1）電話遠(yuǎn)程控制；2）網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制；3）現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)機(jī)操作。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。 

　?。?）系統(tǒng)無(wú)線節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　智能家居網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)與系統(tǒng)中的各模塊協(xié)同工作。通過(guò)單片機(jī)及模塊中的各接口實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度。該模塊既可響應(yīng)來(lái)自外部的電話及互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的控制請(qǐng)求指令,通過(guò)對(duì)指令的解釋,傳輸相應(yīng)的狀態(tài)信息或控制調(diào)度各模塊動(dòng)作,也可響應(yīng)家居內(nèi)部的安防報(bào)警請(qǐng)求,并通過(guò)電話模塊向用戶發(fā)送報(bào)警信息。

　　硬件部分包括CPU基本系統(tǒng)、以太網(wǎng)接口、RS2485接口、RS2232接口、USB接口。CPU基本系統(tǒng)包括電源、復(fù)位、Flash、內(nèi)存等電路。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　硬件結(jié)構(gòu)的核心為摩托羅拉公司的MPC850微處理器，它是基于Power體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的32位多用途通信處理器，內(nèi)部集成了嵌入式PowerPC核和一個(gè)專(zhuān)用于通信的RISC的通信處理器模塊(CPM)。MPC850的CPM支持6個(gè)串行通道:1個(gè)串行通信控制器(SCC)，1個(gè)通用串行總線控制器(USB)，2個(gè)串行管理控制器(SMC)，1個(gè)I2C接口和1個(gè)串行外圍接口電路（SPI）。由于CPM分擔(dān)了嵌入式PowerPC核的外圍工作任務(wù)，這種雙處理器體系結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)單處理器的體系結(jié)構(gòu)具有更高的效率。 

　　電源：系統(tǒng)采用樓宇自動(dòng)化的標(biāo)準(zhǔn)12V/5V直流電源，用DC-DC轉(zhuǎn)換器完成5~3.3V和5~1.8V的轉(zhuǎn)換，給CPU和外圍器件提供電源。

　　復(fù)位電路和時(shí)鐘電路：時(shí)鐘電路為微處理器及其他電路提供工作時(shí)鐘，是系統(tǒng)必須的重要電路。復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)用戶的按鍵復(fù)位功能，系統(tǒng)采用較簡(jiǎn)單的RC復(fù)位電路。

　　Flash存儲(chǔ)器接口電路：Flash存儲(chǔ)器在系統(tǒng)中通常用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的數(shù)據(jù)等。Flash接口電路是最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的電路。常用的Flash存儲(chǔ)器為8bit/16bit數(shù)據(jù)寬度，工作電壓一般為3.3V，主要生產(chǎn)廠商為Intel、Atmel、Hyundai等。

　　S D R A M接口電路：與F l a s h存儲(chǔ)器相比較，S D R A M雖然不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，但其存取速度大大高于Flash存儲(chǔ)器，并且具有讀/寫(xiě)屬性，SDR A M在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。

　　液晶顯示：液晶選用SHARP公司的HR-TFT，型號(hào)是LQ035Q7DB02。該液晶模塊是TFT型液晶，260K真彩顯示。模塊包括觸摸屏接口，背光采用白色LED背光，典型驅(qū)動(dòng)電壓是21.6VDC。

　　電話遙控：用戶可以用手機(jī)或電話遙控家電的開(kāi)關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程家庭遙控管理。系統(tǒng)首先利用解碼芯片對(duì)DTMF信號(hào)進(jìn)行解碼，然后由MPC850對(duì)解碼進(jìn)行譯碼，并根據(jù)譯碼發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)被控電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的控制和電話控制等。

　?。?）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件部分主要由家庭網(wǎng)絡(luò)終端程序組成。

　　系統(tǒng)上電后，對(duì)各模塊進(jìn)行初始化操作，其主要功能包括水、電、氣3表的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)、報(bào)警信息的獲取、設(shè)防撤防狀態(tài)的獲取和以上信息數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送。主控模塊處于待機(jī)狀態(tài)，以中斷方式隨時(shí)響應(yīng)來(lái)自網(wǎng)絡(luò)通信模塊、電話語(yǔ)音模塊及安防報(bào)警3方面的請(qǐng)求，其中的網(wǎng)絡(luò)通信模塊工作在服務(wù)模式下，偵聽(tīng)來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制請(qǐng)求。對(duì)于電話的連接請(qǐng)求，在核實(shí)用戶身份后，通過(guò)語(yǔ)音提示模塊引導(dǎo)用戶完成電話的按鍵指令操作，控制相關(guān)模塊動(dòng)作，并以語(yǔ)音提示信息的方式向電話用戶回送相關(guān)信息；對(duì)于安防報(bào)警方面的請(qǐng)求，主控模塊則以用戶事先設(shè)定的電話號(hào)碼拔通用戶電話并以語(yǔ)音提示的方式向用戶發(fā)出報(bào)警。數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送和接收要遵守家庭網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議。

　　5　結(jié)束語(yǔ)

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、圖像顯示技術(shù)、通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)現(xiàn)有的因特網(wǎng)和PSTN實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制越來(lái)越普遍，組建基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)，可以滿足低成本、低功耗、易操作、易安裝、易擴(kuò)充的設(shè)計(jì)思路，并且系統(tǒng)安裝方便，適用范圍廣，具有很好的實(shí)用價(jià)值。