面向智能家居的无线网络协议分析

杨 浩,王 哲（中州大学 信息工程学院,郑州 450006）



面向智能家居的无线网络协议分析

杨 浩,王 哲
（中州大学 信息工程学院,郑州 450006）

摘 要:智能家居的实现需要现代通信和计算机网络搭建控制平台，提升家居安全性、自动控制性、舒适和艺术性，实现个人信息终端和家电设备的智能化互联。本文重点分析了TCP/IP协议、Zigbee协议、UWB超宽带协议，它们是搭建智能家居网络平台和控制系统的核心无线网络协议。

关键词:智能家居；无线网络；TCP/IP协议；Zigbee协议；UWB超宽带协议

1 前言

智能家居的实现需要现代通信和计算机网络搭建控制平台，提升家居安全性、自动控制性、舒适和艺术性，实现个人信息终端和家电设备的智能化互联。利用计算机网络技术、无线传感网络技术、音视频技术将家电设备互联，构建信息化管理系统，并实现环保节能的居家环境。

智能家居系统包含的主要子系统有：综合布线系统、计算机网络系统、手机控制管理系统、家庭照明系统、家庭安保系统、家庭娱乐多媒体系统、室内温控系统等统[3]。

智能家居是互联网+物联网的实现。例如：一个人远程可遥控家中电视、空调、洗衣机、电饭煲的开关;手机记录观察家庭时时刻刻的图像，发生盗窃、自来水忘关、燃气忘关可以自动报警等；控制冰箱保鲜食物的程度，将电视节目自动保存，这就是智能家居鲜活例子。

2 网络协议

2.1 TCP/IP协议

IP协议位于TCP/IP协议族的第三层：网络层。IP协议就是因特网协议。IP协议规定了数据传输时的基本单元和格式。所有的TCP、UDP、ICMP及IGMP数据都以IP数据报格式传输。在现实生活中，我们进行货物运输时都是把货物包装成一个个的纸箱或者是集装箱之后才进行运输，在网络世界中各种信息也是通过类似的方式进行传输的。IP协议的作用就是向传输层（TCP层）提供统一的IP包，即将各种不同类型的MAC帧转换为统一的IP包，并将MAC帧的物理地址变换为全网统一的逻辑地址。用货物运输做比喻，IP协议规定了货物的运输方法和运输路线[4]。

TCP协议位于TCP/IP协议族的第三层：运输层。TCP（传输控制协议）协议负责为两台主机提供高可靠性的数据通信。它所做的工作包括把应用程序交给它的数据分成合适的小块交给下面的网络层，确认接收到的分组，设置发送最后确认分组的超时时钟等。简单的说在TCP模式中，对方发一个数据包给你，你要发一个确认数据包给对方。通过这种确认来提供可靠性。

2.2 Zigbee协议

ZigBee得到了越来越广泛的关注，主要是因为该技术适合短距离、低速率的无线通信。

Zigbee特别适合用来组建无线传感器网络，主要优势是低复杂度、近距离、自组织、低数据速率、低成本、低功耗。它可以应用在煤气计量、控制室内温度、自动照明、窗帘打开关闭、家用电器的遥控等方面。

ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL). 所有的服务实体都通过服务接入点SAP为上层提供一个接口，每个SAP都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能[1]。应用层包括：应用支持子层APS，应用框架AF，ZigBee设备对象ZDO以及用户定义应用对象。其MAC层采用避免冲突多载波信道接入CSMA-CA方式，主要负责传输信标帧，同步以及提供可信赖的传输机制[2]。

2.3 UWB超宽带协议

UWB无线通信是一种不用载波，而采用时间间隔极短(小于1ns)的脉冲进行通信的方式，也称做脉冲无线电、无载波通信。在系统方面，它具有性能强，发射信号功率谱密度低，传输速率高频谱利用率高，系统复杂度低系统容量大，发射功率低等特点。在信道方面，它具有对信道衰落不敏感、低截获能力、带宽极宽等优点[5]。

Motorola等公司倡导一种为基于窄脉冲的超宽带技术，Intel公司所倡导类似于正交频分技术的脉冲化多波超宽带技术。该协议和标准尚未确定。根据美国FCC的报告，相对带宽大于20%或总带宽大于500MHz的系统就是超宽带系统。实现技术之一直接调制具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲，频域上实现超带宽。

它的应用范同很广，主要用于：家庭和个人网络的无线音频、数据和视频分发等；把UWB看作蓝牙技术的替代者，可以连接电脑、打印机、无绳电话、PAD以及冰箱、彩电等设备，实现个人信息终端的智能化互联。

4 结语

智能家居的实现需要现代通信和计算机网络搭建控制平台，提升家居安全性、自动控制性、舒适和艺术性，实现个人信息终端和家电设备的智能化互联。本文重点分析了TCP/IP协议、Zigbee协议、UWB超宽带协议，它们是搭建网络平台和控制系统的核心无线网络协议。

参考文献：

[1]杜军朝.ZigBee技术原理与实战[M].北京:机械工业出版社,2015(01).

[2]马菁菁.Zigbee无线通信技术在智能家居中的应用研究[J].武汉理工大学,2007(05).

[3]彭洪明.智能家居的体系结构及关键技术研究[J].北京交通大学，2012(06).

[4]谢希仁.计算机网络[M].电子工业出版社,2004(10).

[5]李明晶.超宽带技术浅谈[J].吉林省经济管理干部学院学报,2005(10).

作者简介：杨浩（1983-），男,河南郑州人，硕士，中级工程师，主要研究方向：通信。

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.129