基于家庭基站智能家居系统的设计与实现

刘功民

摘 要：开展基于家庭基站的个人增值应用以增加其附加值和对用户的吸引力，成为家庭基站产品规模商用的有效和必经途径。文章提出的基于家庭基站的智能家居系统，依托家庭基站和ZigBee技术组建家庭内部网络，采用家庭基站作为其外部通信链路，通过普通的移动终端设备实现远程接入和控制。

关键词：家庭基站；ZigBee；智能家居；远程控制；用户管理系统

近年，飞蜂窝（又叫家庭基站）以其低功耗、高吞吐率以及通过有线宽带网络回程等优势被广泛接纳，在宽带移动通信领域，已成為解决室内深度覆盖的首选技术[1]。本文结合目前发展迅猛的智能家居，提出基于家庭基站智能家居系统基于家庭基站的智能家居系统（Femtocell-based SmartHome System，FSHS）的构建框架并给出具体的设计与实现方案。

1 FSHS系统架构

FSHS总体架构如图1所示，包括ZigBee域、家庭基站接入点（Femto Access Point.FAP）域、远程通信域和用户控制域等4个部分，其中ZigBee域和FAP域同属家庭内部网络[2]。

ZigBee域基于ZigBee技术组网，主要进行灯光、家电的控制及其能耗管理，同时还负责电表、水表和煤气表的数据采集；FAP域基于家庭基站技术组网，实现远程医护和家庭安保中的数据采集和视频监控功能，同时失火、非法侵入等灾情的数据采集、处理和响应也承载在该域。从家庭内部网络的角度看，FAP同时兼具家庭网关[3]的功能，即用户终端的所有访问和控制均需通过FAP。在用户控制域，当用户处于家庭区域之外时，不管是静止状态还是移动状态，都可以依托远程通信域，通过手持移动设备实现远程访问和控制；当用户处于家庭内部区域时，仍然通过相同的手持移动设备进行访问和控制，所不同的是此时无需跨域依托移动核心网和Internet的远程通信域，而是直接与FAP进行通信。

2 FSHS各部分的功能与实现

2.1 ZigBee域

FSHS系统中，ZigBee域由一个ZigBee主节点和多个ZigBee从点组成。主节点即网络协调器，在实现域内网络管理与协调的同时，通过RS232或RS485等串行接口或者基于IEEE 802.3的以太网接口、甚至是通用分组无线业务（General Packet Radio Service，GPRS）接口等上联到FAP，为省却布线，FSHS系统中的主节点配备GPRS接口。从节点包括网络路由器和网络终端设备，具体的设备实体包括数据传输节点、无线传感节点、灯光和家电控制节点等类型。数据传输节点提供单跳范围之外的从节点与主节点之间的中继；无线传感节点主要实现如温度、湿度、亮度等环境数据以及如人体体温、血压等生理机能数据的采集与转换并上报到主节点；灯光和家电控制节点接收来自上层的指令，转换成被控对象能识别的数据格式与信号形式如红外线（Infra Red，IR）发送到被控对象，同时采集被控对象的状态数据上报到网络上层供其决策。关于ZigBee各节点的软硬件设计与实现，大量文献甚至工业领域已有较好的解决方案[3]，本文所提出的FSHS系统，通过调整FAP到ZigBee主节点的下联接口即可无损地兼容现有各种基于ZigBee的家庭内部网络。

2.2 FAP域

FSHS系统中典型FAP的结构，除了主控制单元（MainControl Unit，MCU）及与其配套的同步动态随机存储器（Synchronous Dynamic Random Access Memory，SDRAM）和Flash Memory之外，包括各射频集成电路（Radio Frequency Integrated Circuit，RFIC）、家庭网络路由器（Home Network Router， HNR）等在内的其余模块都是传统FAP的功能模块，在FSHS系统中，没有改动其硬件，限于篇幅不做阐述。

MCU是FAP中实现FSHS系统功能的核心部件，所有传感器和摄像头所采集信息的处理、灾情与险情的判决及报警机制触发均在该模块实现；同时，来自用户控制终端的接入与访问、各种控制指令、状态查询指令执行等也需要该模块的参与。

2.3用户控制域

用户控制域中的设备就是手机、个人数字助理（ PersonalDigital Assistant，PDA）等各种用户移动终端设备，鉴于它们的高智能性和高处理能力，加载相关的应用程序即可满足FSHS的需求。类似于无线应用协议（Wireless ApplicationProtocol，WAP），用户一旦启动该应用程序，在远程通信域和FAP（本地时只需FAP）的协作下，根据用户移动设备的号码即刻完成身份鉴权和认证而无需输入访问接入码之类的身份信息。基于此思路构建的应用程序称之为FSHS中的用户端管理系统（FSHS Management System for User，FMS-U）。

FMS-U完全依附在用户移动终端设备的硬件平台上，通过所开发的各种接口模块调用终端设备相应通信功能实现。FMS-U由系统配置界面、管理控制界面、底层接口模块和后台处理模块4个部分组成。

2.4远程通信域

由图l可知，远程通信域由Internet、移动核心网和移动宏基站或家庭基站等组成，只有当用户远程控制时才会用到，此时远程通信域对用户终端的各种查询和控制指令、家居状态信息以及视频数据都进行透明传输，限于篇幅不再赘述。

3结语

用户对家居信息化、智能化的需求，手机、PDA等移动通信终端设备的高普及率，使FSHS具备了广泛的用户接纳基础；能无损兼容现有基于ZigBee、GPRS以及无线摄像头等产品，使FSHS的技术优势更加明显；FSHS的推广和应用，使电信运营商的业务得到了的拓展和延伸，将进一步巩固其市场占有率和企业竞争力。因此，基于家庭基站的智能家居系统FSHS，从用户接纳、技术优势到市场运营均有较强的可行性。

[参考文献]

[I]VIKRAM C. JEFFREY G. ANDREW S.Femtocell networks： a survey[J] .IEEE Communications Magazine . 2008 （ 9） ： 59-67.

[2lCARLES G. JOSEP P.Wireless home automation networks： a survey of architectures and technologies[Jl.IEEE Communications Magazine， 2010 （6） ： 92-101.

[3lZUALKERNAN I A. AL-ALI A R. JABBAR M A. et al.lnfoPods： Zigbee-based remote information monitoring devices for smart- homes[J] .IEEE Trans actions on Consumer Electron. 2009 （ 3 ） ： 1221-1226.