智能家居通信技术研究综述

茅天阳+赵亮

摘 要：文中分有线和无线传输方式对智能家居中的通信技术进行了综述。有线传输方式包括电力载波通信、以太网、RS-485总线等，无线传输方式包括ZigBee、WiFi、GSM/GPRS、无线射频技术等。此外，对各种传输技术的优缺点进行了比较，指出了智能家居通信技术的发展方向，认为无线传输方式将会是未来发展的重点。

关键词：智能家居；电力载波；RS-485；ZigBee；WiFi；GSM/GPRS

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）02-00-03

0 引 言

智能家居是一种居住环境，其基础是住宅，其目的是构建高效的住宅与家庭日程管理系统，其手段是利用网络、布线、音频、自控、安全等一系列技术将家居生活有关的设施集成。

作为一个新兴产业，智能家居还未真正进入成长期，市场消费观念还未形成，但随着智能家居市场推广普及的进一步落实，在消费者的观念形成后，智能家居市场未来拥有无穷潜力，产业前途无量。正因为如此，越来越多的智能家居生产企业开始投入对行业市场的研究，特别是对企业成长环境和消费者需求变化的深入研究。随着科学技术日新月异的发展，数据通信技术迅速向智能家居渗透。居住环境信息获取和传输技术需要运用适宜的现代通讯手段来实现。按通信技术传输介质的不同可分为有线和无线两种方式。有线通信方式具有系统可靠性高、抗干扰能力强等优点。但传感器与执行机构数量多且分散，导致布线复杂、维护困难。无线通信以组网灵活、无需布线等优点在智能家居中逐渐兴起。智能家居中常见的有线方式有电力载波和以太网等，无线方式则包括ZigBee、WiFi、GSM/GPRS、无线射频技术等，本文对这些通信技术在智能家居领域中的应用进行了综述。

1 有线通信方式

有线通信方式具有稳定、安全和高速等优点，但存在设备移动性差和布线繁琐、布线成本高等不足。常用的有线通信方式有电力载波和以太网等。

1.1 电力载波通信

电力线载波（Power Line Carrier，PLC）是电力系统特有的通信方式，电力线载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。其最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线就能进行数据传递。

马乐等（2013）[1]设计了基于物联网体系的智能家居系统，以Internet和GSM为远程控制基础，以RF无线射频技术为近程控制手段，以PLC为通讯总线，解决家庭内部点对点高速多媒体数据传输的问题。罗玉平等（2014）[2]设计了基于电力线载波通信的智能家居控制系统，系统以STM32主控制器为核心，内嵌Web服务器，结合GPRS网络、电力载波通信技术以及传感器技术可实现远程智能控制。宣航（2015）[3]开发了基于物联网的智能家居监控系统，该系统基于电力线载波通信技术，以TOP6410开发板为核心，以OFDM调制技术为基础構建了智能家居系统的硬件体系结构和软件平台。

1.2 以太网

以太网（Ethernet）首次由罗伯特·梅特卡夫和施乐公司帕洛阿尔托研究中心的同事研制，如今已成为最流行的通信协议标准。以太网可以分为标准以太网、快速以太网、千兆以太网以及万兆以太网。

南春辉等（2013）[4]设计了基于Web技术的嵌入式智能家居系统，通过构建Web服务器对家居设备的工作状态进行记录和控制，内部家居通过以太网相连，以Socket协议与服务器通信。陈玮等（2015）[5]设计了基于Andriod平台的智能家居系统，将云计算中心与路由器用以太网连接，使用内外网通信方式，当家庭宽带不可用时仍能通过内网实现对家居设备的控制。侯维岩等（2015）[6]设计并实现了智能家居网关及其Web控制软件，提出了一种能够同时兼容ZigBee、Bluetooth和以太网，并能方便操作的B/S智能家居控制系统。

1.3 RS-485总线

RS-485是串行数据接口标准，1983年在RS-422基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，后命名为TIA/EIA-485-A标准。

陶莉等（2007）[7]设计了基于RS-485总线的智能家居系统，采用RS-485总线的主从网络实现了以PC机为家庭网关的基于RS-485总线的智能家居系统。徐锋等（2009）[8]设计了智能家居远程控制系统，以ARMLPC2364为核心，由MAX3088构成RS-485接口，不仅可以节省开支，其省电节耗效果也十分明显。刘璟（2010）[9]设计了基于PXA270-Linux的智能家居系统，通过运用RS-485总线接入各种传感器模块的思想，实现了家居安全报警、家用电器及照明系统远程控制。张小贝等（2012）[10]设计了基于嵌入式控制和RS-485的智能家居系统，具有良好的应用性。张玲（2014）[11]设计了基于STM32的智能家居系统，各智能产品通过RS-485总线方式和控制器通讯，具有控制方式多样灵活、模块功能可扩展性强、设备操作简单易行等优点。

RS-485接口具有良好的抗干扰性，按其接口组成的半双工网络一般只需两根连线，长的传输距离和多站能力等使其成为首选的串行接口，但RS-485总线的主从和半双工工作方式难以实现各节点之间的数据交换，且存在效率低、实时性差等问题。

2 无线通信方式

与有线通信方式相比，无线通信网络是一种以数据为中心的自组织无线网络，具有可快速临时组网、拓扑结构可动态变化、抗毁性强、无需架设网络基础设施等优点。常用的无线通信方式有ZigBee、WiFi、GSM/GPRS、无线射频技术等。

2.1 ZigBee技术

ZigBee类似于蓝牙，是一种新生的短距离通信技术。与蓝牙高昂的价格，组网复杂等特点不同，ZigBee成本低、功耗低，且组网方便，因此许多厂商都对其感兴趣。ZigBee遵循IEEE 802.15.4标准，工作在204 GHz的频段上。

运用这种技术将智能家居中的各种电子设备组成一个无线传感网络，从而快捷方便地对居住环境参数进行自动监测，意义重大。辛海亮等（2013）[12]设计了一种基于ZigBee的物联网智能家居控制系统的总体方案，以Linux系统为核心，以ZigBee无线通信技术进行信号传输并以GPRS通信技术进行系统远程监控。高鹏等（2014）[13]设计了基于ARM和ZigBee的智能家居监控网络，在家庭内部通过基于德州仪器CC2530无线收发芯片的ZigBee无线网络将家用电器与其他监控设备连接在一起组成无线家庭网络。庞泳等（2014）[14]设计了基于ZigBee的智能家居改进系统，通过改进的MAC协议与ZigBee数据帧结合，对网内不同数据类型采取针对性处理措施，使系统具有较低的功耗和较高的安全性。季建华（2015）[15]设计并实现了基于物联网的智能家居远程监控系统，同时又以JN5139芯片为核心设计了各ZigBee终端节点，采用星型网络实现ZigBee无线组网。Chatura等（2016）[16]基于ZigBee设计了低复杂度展频智能家居网络体系，提升了共存能力，增强了多径衰落影响下的鲁棒性。Raafat等（2016）[17]基于ZigBee面向残疾人设计了可配置的智能家居控制系统，结果表明，该系统可为残疾人提供更好、更便捷的生活方式。孙正凤等（2016）[18]设计了基于改进ZigBee路由算法的智能家居控制系统，仿真表明，当节点数越多，改进的算法可减少30%的能耗，并且随时间的增长，死亡节点数将降低10%，有效均衡了网络负载。

应用ZigBee技术可通过无线传输方式实现每个节点家居环境控制器与管控计算机的组网及灵活的网络数据传输，提高了智能家居系统的灵活性和可靠性，并大幅降低了成本。

2.2 无线WiFi技术

WiFi （Wireless Fidelity）网络符合IEEE/802.11b协议，由AP（Access Point）和无线网卡组成，组网方式较为简单，具有无线接入、高速传输以及传输距离远等优点。

董思乔等（2015）[19]设计了基于WiFi构建的智能家居控制系统，采用PC机和智能手机作为基本硬件平台，辅以WiFi插座和WiFi智能传感器来实现智能家居控制系统。应闻达等（2015）[20]提出了家庭网络中智能家居设备无限快速连接技术，经测试，无线连接所需时间为10～20 s，连接成功率几乎为100%，明显优于基于多播或广播的WiFi一键配置技术。乔季军等（2015）[21]设计了融合ZigBee和WiFi无线技术的智能家居系统，研究了采集数据的程序开发、单片机系统的底层编程和数据传输校验等软件程序。Wang等（2016）[22]设计并实现了基于iOS的智能家居声控系統，手机通过路由器的WiFi信号向终端发送指令。贾阳静等（2016）[23]设计了基于Android和WiFi通信的智能家居系统，采用具有Android操作系统的智能手机或平板电脑作为家居控制终端，通过无线路由器搭建智能家居系统平台。

智能家居充分利用现有普及的WiFi网络资源，极大地扩展了信号的覆盖面积，组网成本大大下降，加之其固有的传输速度快的优点，在消费者中具有较大普及潜力。

2.3 GPRS/GSM通信技术

GPRS（通用分组无线服务）是一种收费的数据承载业务，属于第二代移动通信中的数据传输技术，其传输距离远、稳定性较好、传输速度快，一般用于远距离实时通信。

Zhang等（2013）[24]设计了由SMS控制的智能家居系统，通过手机短信发送一系列指令，实现远程监控家居系统。刘练等（2014）[25]设计并实现了基于App的智能家居环境监测系统，传感器将污染气体及PM2.5浓度信息通过GPRS传送到后台服务器。武一等（2014）[26]设计了基于GSM和ZigBee技术的智能家居系统，通过GSM网络实现用户手机对智能家居的远程监控。实验表明，该系统具有功耗低、可靠性高、易扩展、使用方便等优点。曹梦龙等（2014）[27]设计并实现了基于Internet和GSM的智能家居网关，系统重要的报警信息可以通过手机模组以短信的形式及时发送至用户的手机上。R.Gnanavel等（2016）[28]针对老年人设计了无线传感网络智能家居系统，其中，GSM用于紧急情况下向就近医院发送短信。

GPRS/GSM通信方式适合远距离且不具备有线网络情况下的数据传输，采用包交换的优点是在有效数据需要传送时才会占用频宽，还可以以传输的数据量计价，对用户而言，这是比较合理的计费方式。

2.4 RF无线射频技术

无线射频是20世纪90年代兴起的一种非接触式自动识别技术，其识别系统主要由电子标签、读卡器、上位机组成，通过射频信号识别标签并获取信息。

刘杰等（2012）[29]实现了利用433 MHz射频通信技术的智能家居系统，测试结果表明，使用433 MHz射频技术可以很好地解决传输能力和频带资源分配问题。曾艳等（2014）[30]设计并实现了智能家居RF通信模块的问题，测试表明，该无线通信模块能够满足低成本、低功耗和远距离无线传输的要求。曾明如等（2015）[31]设计了基于ARM和nRF905组网的智能家居系统，系统对射频数据传输协议进行了设计，给出了室内多个微控制器的组网方案，万能遥控器通过射频信号实现对家电的近距离控制。曾明如等（2015）[32]设计了基于ARM和RF无线技术的智能家居系统，控制信息以射频信号的形式发送到无线通讯节点或智能插座，试验结果表明，各家电能够响应相应的控制要求。葛阳等（2015）[33]设计并实现了智能家居433 MHz射频通信协议栈，并详细讨论了协议栈的工作原理。

3 常用通信技术比较

上述7种作为智能家居系统常用的通信方式各有特点，在不同的应用场景可以发挥各自优势，扬长避短，也可以将这7种通信方式进行组合，实现高效、远程传输的目的。常见的是将适合近距离的通信方式和适合远距离传输的GPRS/GSM相结合。

有线通信具有高可靠性、速度快、稳定性高等优点。但布线繁琐、成本较高。无线通信方式具有设备移动性好，不需或只需少量布线的优点，但存在易受环境影响和延迟较大的不足。

从发展角度看，无线通信将是智能家居系统重要的研究方向。各种通信方式的性能比较见表1所列。

4 结 语

本文介绍了几种智能家居系统信息传输方式，包括有线及无线传输方式，比较了他们的优缺点，并提出了未来发展的趋势。信息传输是智能家居系统不可缺少的组成部分，合理选择信息传输方式对整个智能家居系统起着重要作用。随着网络技术和通信技术的发展，各种技术相互结合，发挥各自优势。结合后的数据传输技术可实现优势互补，既能充分发挥各种技术的突出优势，又能最大程度发挥整体效应。无线网络是未来的发展重点。

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