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专业实训论文：浅析智能家居三大技术
Y 有控任 务？ 控制操作 总体来讲，无线射频是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的无线通信技术。这种技术的优点是部分产品无需重新布线，利用点对点的射频技术，实现对家电和灯光的控制，安装装置都比较方便，主要应用于实现对某些特定电器或灯光的控制，成本适中。
无线射频技术相当于家庭网络中所提到的区别无线网络。无线网络技术在没有布线的情况下也可以搭建家庭局域网。而无线射频技术也就是通过高频的无线频率(315M或433.92MHz)点对点传输，实现灯光、窗帘、家电等的遥控功能。这类技术对于已经装修好了的用户非常使用，无须预先布线，不会破坏原有家居的美观。使用基于无线射频技术的产品，就可以将家里所有的电器串成一个网络，这里称它为智能家居无线网络，在这个网络中，用户可以随意遥控，让每个电器都能进行控制，体现智能化。
5.3.2 无线射频技术在智能家居中的具体应用
现代家庭中，家里的电器射频很多，按照大类分为两类。一类是具有遥控功能的电器设备，如空调、电视机，另一类是不具备遥控功能的如微波炉、冰箱等。同时，具有遥控概念的设备带有不同遥控器，相互间不能通用，如何遥控不具有遥控功能的设备及如何让一个遥控器实现多个遥控器功能是需要解决的问题。而基于无线射频技术的产品解决了上述问题。
智能家居无线网络主要包括了一个家庭网关以及若干个无线通讯子节点。在家庭网关上有一个无线发射模块，每个子节点上皆有一个无线网络接收模块，通过这些无线网络收发模块，数据就能在网关和子节点之间进行传送。 ■家庭网关
家庭智能网关就是家庭的一个智能化控制中心，带有嵌入式处理器和Arm linux操作系统；具有可接触膜的TFT液晶显示屏（5～10ft）；有14路报警点输入和2路报警控制输出，发生警情时可通过网络或电话报警；通过网关的无线射频模块与网络中各子节点进行通讯，实现家电控制；同时家庭网关还具有留影、留言等功能，可方便主人进行温馨留言等。 ■无线射频无线通讯子节点
在不同的控制中，无线通讯子节点具有不同的功能：
N 图4. 主机主程序流程图
5.2.3 蓝牙技术小结
基于蓝牙通信技术的远程家庭智能控制系统的实现，是适合中国国情的智能家居系统. 其中蓝牙通信技术的应用，使数据采集和家庭安防监控灵活方便，摆脱了布线系统的束缚，蓝牙的跳频技术大大提高了系统的抗干扰能力。
5.3 无线射频技术
5.3.1 无线射频技术的概念和工作原理
无线射频技术（Radio Frequency Identification :RFID)技术是自动识别技术的一种，可用于识别单件物品，多种装备、空运托盘和集装箱，提供准确、及时的装备资源状态信息，在民用的物流控制和军用后勤物质资源保障中发挥重要作用1、RFID的系统组成
最基本的RFID系统由电子标签、阅读器和微型天线三部分组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上标识目标对象。当受无线电射频信号照射时，能反射回携带有数字字母编码信息的无线电射频信号，供阅读器识别处理。
阅读器，也称查询器、通讯器或读出装置，用以产生发射无线电射频信号，经处理后获取标签数据信息，有时还可作为写入标签信息的设备，可设计成手持或固定式。微型天线，在标签和阅读器间传递射频信号。
2、RFID的工作原理
在实际应用中，RFID系统电子标签附着在待识别物体的表面，电子标签中保存有约定格式的电子数据。阅读器可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。
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（1）照明控制，通过无线遥控开关节点实现对灯光和调光的功能；
（2）电源控制，通过无线遥控插座实现对电器的电源进行远程控制；
（3）窗帘控制，通过无线窗帘控制器对电动窗帘电机进行远程控制；
（4）家电控制，通过无线红外转发模块对红外遥控家电进行远程控制；
（5）继电器输出控制，实现电动门窗、煤气阀门等I/O控制。
5.3.3 无线射频技术优缺点
普通家用或则商用接收器，通常使用红外线，信号收发要求直线路径，容易受外物遮挡。使用无线射频技术，信号收发不受外物遮挡，凡在系统覆盖范围内，不论任何地方，接受均准确可靠。
然而无线射频技术的控制距离过于短，30m的遥控距离已经是无线射频技术的最大极限了，如果超过了这个距离，无线信号容易受到干扰，这也是无线射频技术最大的一个缺陷。
其一，无线电波的覆盖范围广，Wi-Fi的半径则可达100米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。
其二，传输速度非常快，可以达到11mbps，符合个人和社会信息化的需求。
它与有线网络相较之下，有许多优点： ? 无须布线
WiFi最主要的优势在于不需要布线，可以不受布线条件的限制，因此非常适合移动办公用户的需要，具有广阔市场前景。目前它已经从传统的医疗保健、库存控制和管理服务等特殊行业向更多行业拓展开去，甚至开始进入家庭以及教育机构等领域。 ? 健康安全
无线网络使用方式并非像手机直接接触人体，应该是绝对安全的。 ? 简单组建方法
一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡及一台AP，如此便能以无线的模式，配合既有的有线架构来分享网络资源，架设费用和复杂程序远远低于传统的有线网络。如果只是几台电脑的对等网，也可不要AP，只需要每台电脑配备无线网卡。AP为AccessPoint简称，一般翻译为“无线访问节点”，或“桥接器”。它主要在媒体存取控制层MAC中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁。
有了AP，就像一般有线网络的Hub一般，无线工作站可以快速且轻易地与网络相连。特别是对于宽带的使用，WiFi更显优势，有线宽带网络(ADSL、小区LAN等)到户后，连接到一个AP，然后在电脑中安装一块无线网卡即可。普通的家庭有一个AP已经足够，甚至用户的邻里得到授权后，则无需增加端口，也能以共享的方式上网。 ? 长距离工作
别看无线WiFi的工作距离不大，在网络建设完备的情况下，802.11b的真实工作距离可以达到100米以上，而且解决了高速移动时数据的纠错问题、误码问题，WiFiI设备与设备、设备与基站之间的切换和安全认证都得到了很好的解决。
总而言之，家庭和小型办公网络用户对移动连接的需求是无线局域网市场增长的动力
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5.4 Wi-Fi技术
随着科学技术的不断发展，局域网也正逐渐向无线化，多网合一的方向发展，在这个多网合一快速发展过程中，带动了多种无线技术的广泛应用，WIFI便是其中的一种。
当前，智能家居产业也正如火如荼的进行，可以预见，未来智能家居的发展，将不再局限于家电设备、灯光等遥控的控制，嵌入式智能终端、无线WIFI技术，以及Internet的广泛应用必将使家居控制变得更加自动化、智能化和人性化，必将改变传统智能家居的模式，把智能家居推上一个快速发展的舞台。
5.4.1 Wi-Fi技术原理及应用
WiFi全称Wireless Fidelity，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到54Mbps，另外它的有效距离也很长，其主要特性为：速度快、可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305米;在封闭性区域，通讯距离为76米到122米，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低，Wi-Fi技术突出的优势在于：
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5.4.2 Wi-Fi技术在智能家居中应用
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WiFi是由AP(AccessPoint)和无线网卡组成的无线网络，AP一般称为网络桥接器或接入点，是传统的有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁因此任何一台装有无线网卡的PC均可通过AP去分享有线局域网络甚至广域网络的资源，其工作原理相当于一个内置无线发射器的HUB或者是路由而无线网卡则是负责接收由AP所发射信号的CLIENT端设备。
相比较传统智能家居系统采用的有线布网方式WIFI技术的应用则减少布线麻烦，具有更好的可扩展性、移动性。因此采用无线智能控制模式是智能家居发展的必然选择。
5.4.3 Wi-Fi技术的发展趋势
Zigbee是最近提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信新技术。主要适用于自动控制和远程控制领域，可以满足对小型廉价设备的无线联网和控制。
Zigbee技术的前身是“HomeRFlite”技术，其核心协议由2000年12月成立的IEEE 802.15.4工作组制定的，高层应用、互联互通测试和市场推广由2002年8月组建的Zigbee联盟负责。Zigbee强调低成本、低耗电、双向传输、感应网络功能等特色。IEEE终将Zigbee接纳为IEEE 802.15.4的标准，与Zigbee联盟共同致力于WPAN的标准制定5.5.1 ZigBee技术特点
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这几年内，无线AP的数量呈迅猛的增长，无线网络的方便与高效使其能够得到迅速的普及。除了在目前的一些公共地方有AP之外，国外已经有先例以无线标准来建设城域网，因此，WiFi的无线地位将会日益牢固。WiFi是目前无线接入的主流标准，但是，WiFi会走多远呢，在Intel的强力支持下，WiFi已经有了接班人。它就是全面兼容现有WiFi的WiMAX，对比于WiFi的802.11X标准，WiMAX就是802.16x。与前者相比，WiMAX具有更远的传输距离、更宽的频段选择以及更高的接入速度等等，预计会在未来几年间成为无线网络的一个主流标准，Intel计划将来采用该标准来建设无线广域网络。这相比于限时的无线局域网或城域网，是质的变革，而且现有设备仍能得到支持。
另外现在越来越多的家用电器及电子产品开始支持WiFi功能。WiFi的普及以及相关软件的发展将会使家用电器完成功能上的飞跃。通过网络将各种家电连接，可实现功能上的重构和资源的再配置。随着网络的普及和推广，将家庭中的各种带有网络功能的家用电器通过无线技术连接成局域网络，并与外部Internet相连，构成智能化、多功能的现代家居智能系统也将会成为新的流行趋势。
总而言之，家庭和小型办公网络用户对移动连接的需求是无线局域网市场增长的动力，虽然到目前为止，美国、日本等发达国家仍然是目前WiFi用户最多的地区，但随着电子商务和移动办公的进一步普及，廉价的WiFi必将成为那些随时需要进行网络连接用户的必然之选。
ZigBee基于IEEE802.15.4 无线通信标准，IEEE802.15.4 制定了Phy(物理层)和MAC(介质访问层)的标准，而Zigbee 联盟则制定了NWK（网络层）和APP（应用层）的协议标准【2】。ZigBee 作为一种无线通信技术，可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上，它的传输距离在10-75m的范围内。ZigBee 具有如下特点：
■ 功耗低: ZigBee 的传输速率最高为250kbit/s，发射功率仅为1mW,且采用了休眠模式，所以ZigBee 设备非常省电。据估算ZigBee 设备仅靠两节5 号电池就可以维持长达6 个月到2 年左右的使用时间。
■ 成本低：ZigBee 模块价格低廉, 并且ZigBee 协议是免专利费的。
■ 时延短: 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15m。
■ 网络容量大：一个星型结构的Zigbee 网络最多可以容纳254 个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100 个ZigBee 网络, 而且网络组成灵活。
■ 可靠: 采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。
■ 安全：ZigBee 提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证，采用了AES-128 的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。
5.5 ZigBee技术
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对于家庭网络通讯而言，传输的数据量小，在传输速率上不需要太高的要求。网络的容量要大，家庭中的各种电器设备多。信息的实时性好，时延短，成本低[3]。ZigBee 是一种新的无线连接技术，相对于现有的各种无线通信技术，Zigbee 技术是功耗和成本最低的技术之一。基于ZigBee 技术的无线特点，它能很好的满足家庭网络的上述需求。 5.5.2 ZigBee的协议模型
相对于其他常见的无线通信标准，Zigbee协议栈具有紧凑而且简单的特点，而且对环境配置要,求不高，只要8 bit处理器再配上4 kbit ROM和64 kbit RAM，就可以满足其最低需要。Zigbee协议栈模型如图１所示，完整的Zigbee协议由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层组成。网络层以上协议由Zigbee联盟制定，IEEE负责物理层和链路层标准的制定。
5.5.3 ZigBee技术在智能家居中的应用 ■ 智能家居环境分析
智能家居概念一提出多年，但由于相应的通信技术及应用方面的发展速度缓慢，一直没有走向实用化。随着ZigBee技术的出现，智能家居已经开始加速走入人们的生活。ZigBee模块可安装在电视、灯泡、遥控器、儿童玩具、游戏机、门禁系统、空调系统和其他家电产品中，实现家居的照明、温/湿度、安全和电气智能控制。例如：在灯泡中安装ZigBee模块，当人们要开灯时，不需要走到墙壁开关处，直接通过遥控便可实现；当你打开电视机时，灯光会自动减弱；当电话铃响你拿起话机准备通话时，电话机会自动静音。通过ZigBee终端设备还可以收集家居的各种信息，传送到中央控制设备；或是通过遥控达到远程控制的目的，提供家居生活自动化、网络化与智能化。通过ZigBee网络，人们可以远程控制家里的电器、门窗，查看安保系统信息等。例如，回家前预先开启家里的空调；下雨时遥控关闭门窗；家中有非法入侵者时，及时得到安保系统的通知；及时方便地采集水、电、燃气的用量。总之，只需要一个ZigBee遥控器，就可以控制所有的家电设备（不会再有茶几上横七竖八摆放各种遥控器的情况）。 ■ 智能家居控制设计
(1)自动报警系统
它通过各种探头、传感器实现煤气泄漏、红外线防盗、烟雾及紧急求助报警等，报警信号会自动通过ZigBee网络传往物业管理中心或用户的手机终端， 并启动相关联动装置。
(2)灯光和家用电器控制系统
ZigBee技术通过无线方式将灯光和家用电器连接起来， 只需使用一个遥控器在规定范围内就可以操控各种家用电器， 而且遥控模块可嵌套在诸如手机和PDA之类的便携电子器件中， 用户只需在手机上设定相应的操作，灯光和家电就会按照规定自动完成这些指令， 同时每个操作都会有反馈信息说明操作已完成。
5.5.4 ZigBee技术未来展望
基于Zigbee“无线通信技术的智能家居系统是一个功能强大，性能优越的系统。该系统能克服现有的智能家居系统中普遍存在的问题，但对于智能家居系统的整体实现与应用以及智能家居这项领域的普及来说，还有许多地方需要改进扩展。
应用汇聚层 应用接口 网络层 数据连接层 LLC层 MAC层 物理层 Zigbee联盟 IEEE 图1. Zigbee协议模型
Fig.1 Protocol Sacck of Zigbee
下面分别介绍应用汇聚层、网络层、数据链路层各部分的功能。
（1）应用汇聚层将主要负责把不同的应用映射到Zigbee网络上，具体功能包括：安全与鉴权；多个业务数据流的汇聚；设备发现；业务发现。
（2）网络层功能如下：通用的网络层功能，包括拓扑结构的搭建和维护，命名和关联业务，寻址、路由和安全；有自组织、自维护功能，最大程度地减少消费者的开支和维护成本。
（3）IEEE 802系列标准把数据链路层分成LLC 和MAC两个子层。其中LLC子层的主要功能包 括：传输可靠性保障和控制；数据包的分段与重组；数据包的顺序传输。MAC协议包括功能如下：设备间无线链路的建立、维护和结束；确认模式的帧传送和接收；信道接入控制；帧校验；预留时隙管理；广播信息管理。
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