智能家居中的无线传感网络研究

邹贵红

（广州华夏职业学院，广东 广州 510935）

0 引言

智能家居系统，主要有家庭安防系统、家庭网络系统、智能家居中央控制管理系统等多种系统。随着人们生活水平的提高、信息技术的不断进步，智能家居系统也表现出了前瞻性：科技化、安全化、智能化、节能化，舒适化的特点[1]。而随时无线传感器技术的不断发展，无线网络技术在智能家居系统中也得到了广泛的应用。研究智能家居中的无线传感网络，能更好的推动智能家居的发展。

1 智能家居系统

1.1 智能家居系统结构

智能家居系统主要是在几个常用通信技术的基础上，加上嵌入式、嵌入式、ZigBee、Wi-Fi等技术结合构成的。

智能家居系统按整个网络体系架构可分成应用服务层、网络通信层、感知控制层，图1所示。

1.2 智能家居系统的无线网络

图1 智能家居系统机构图Fig.1 Mechanism diagram of smart home system

智能家居系统的无线传感网络结构如图2所示，按照控制标准类别区分，主要包括网关、设备节点和子网，这些组成了智能家居控制系统的网络。

通过外界互联网的联系，不仅可以提供智能家居所需要的网络环境，还可以为通信设备提供相互关联的连接接口，实现家中所有设备的网络共联，并通过网络可以对设备进行远程控制。

图2 智能家居系统的无线网络架构Fig.2 Wireless network architecture of smart home system

然而需要注意的是，网关在其中起着重要作用，它不仅可以让不同设备之间实现网络互通信息交换，还能让各个设备与外界进行关联，共享信息。可以说网关控制着家庭中的所有设备，是智能家居控制系统局域网的核心部分。

2 无线传感网络

无线传感器网络的英文缩写为WSN，可以知道WSN技术是在无线通信技术和传感器技术的基础上融合了分布式、嵌入式信息处理等多种信息交互技术，可以实现在设定区域内的监测数据、采集数据、分析数据、预测数据、处理数据等多种操作[2-3]。

目前，无线传感器由多个技术结合组成，它的作用给智能家居的发展带了很多的便利，无线传感器主要通过分布式的信息处理技术、通信技术来实现对智能家居的控制，通过数据收集器来获取数据并完成到处理器的传输功能，从而实现对家居的远程控制。

无线网络在智能家居系统的设计中起到了至关重要的作用，它可以完成数据之间的交互，并通过Zigbee技术实现网络间的通信。

无线网络可以实现远距离传输，在智能家居的应用上具有可观的前景。

2.1 无线传感网络构成

无线传感网络的结构如图3所示，包括监控区域内的传感节点、外部汇聚节点以及与外部网络关联的管理控制中心，这三部分组成了无线传感网络，实现远距离传输[4]。

由图我们可以看出，无线传感网络具有这样的特点，全部的传感节点均分散在监控区域内，并这些节点通过自组网的形式同外部汇聚节点进行信息数据交换。因此汇聚节点的作用就相当于家庭网关，是内部监控区域与外部网络相连的桥梁，有着至关重要的作用。汇聚节点可以通过有线或无线的方式与外部网络连接，但与传感节点一般采用无线的方式，进行管理控制中心与监控区域的信息数据交换。管理控制中心指的就是我们自己，我们可以通过远程控制监控区域内的信息。

图3 无线传感网络结构图Fig.3 Structural diagram wireless sensor network

2.2 无线传感网络特点

无线传感网络和蜂窝网、无线局域网以及其它通信网络相比，有它自己明显的特点：

（1）自组织、分布式性。无线传感网络没有中心控制，全都都是由对等节点构成。整个管理和组网都非常的灵活，每个节点都有路由功能，通过自己协调和自动布局形成整个网络，不需要其它设备和人为手段。而且，完全不依赖固定的基础设备[5]。

（2）稳固性。传感器节点不会因为能量的限制、内外部环境的影响而遭到破坏，更不会使节点不能正常工作。大量随机分布的节点之间可以自动协调，从而保证个别传感节点的损坏不会影响到整体正常运行。

（3）可扩展性。不需要外界条件的容许，网络中可以自行增加新的节点，原有无线传感网络可以完全接纳和融合新增节点，使新的节点能参与整个网络的正常工作。

（4）动态拓扑性。无线传感网络是一个动态变化的网络，网络中的节点可能处于休眠状态，没有参与到正常的网络运行中，也有些可能处于工作状态，也会不断有新的节点加入到网络中，这些情况都会使得网络的拓扑结构发生一系列的变化[6]。

（5）应用相关性。无线传感网络是通过感知来了解世界万物，从而获得世界万物的信息。然而，不用的传感器网络应用关注着不同的物理量，因为关注的背景不一样就导致有不同的节点软硬件平台和相关的网络协议。无线传感网络与传统网络还是由鲜明的区别，它没有统一的通信协议平台，必须针对不同的应用来研究传感网络技术。

表1 几种基本无线传感技术特点对比Table 1 Characteristics omparison of several basic wireless sensor technologies

（6）大规模性。传感器网络包含这大量的传感器节点，为了使网络具有高的可靠性，一般在目标区域内部署大量的节点。传感器网络的大规模性还可以通过不同的空间视角获得大的信噪比，来提高准确的监控。

（7）高冗余性。因为在无线传感网络中存在许多的传感节点，这也就说明其具有传感节点冗余、网络连接冗余、信息收集冗余的特点。使得整个网络系统具有强的容错能力。

（8）空间位置寻址性。无线传感网络中的节点不需要全球唯一的标识，也没有采取因特网的IP寻址，也不需要网络间节点与节点之间点对点的通信。用户只关心数据从哪里来，并不在乎数据在哪个节点采集，针对这一点，无线传感网络就可以采取空间位置寻址方式。总得来说，传感网络主要是一个以数据为中心的网络[7]。

2.3 常用的几种无线传感技术

目前常用的无线传感有：蓝牙技术、红外线技术、Wi-Fi技术、无线射频技术和Zigbee技术，各技术的特点比较如表1所示。

从表1分析可知，Zigbee技术是一种成本、距离、功耗、速率都低的一种无线通信技术。Zigbee无线通信技术的MAC层、物理层均采用IEEE 802.15.4 协议标准,在此基础上完善和扩展了网络层、应用会聚层一级高层应用的规范。而且Zigbee技术在10Kbps到250Kbps的传输领域应用非凡，主要应用在远程控制和自动控制领域。根据家庭内部网络的需求、性能、以及智能家居在安全、成本、功耗、网络节点综合考虑下，ZigBee技术是目前智能家居最合适的通信技术。

3 无线传感网络技术在智能家居中的应用

在飞速发展的智能家居系统中，无线传感网络技术会在其中起着重要作用。因为带着信息共享的智能家居无论从人们的生理还是心理，都是以给人们提供一个安全、便利、智能的生活氛围为目标。

从上述分析可知，在众多的无线传感技术中，Zigbee技术具有它独特的优势，此项技术不仅有全功能设备，还具备精简功能设备。全功能设备又称作Full-Function Device，指的是可以实现与局域网中其它所有设备信息交互。精简功能英文简称RFD（Reduced-Function Device），指的是只能适应相对单一结构，不能实现路由、信息互联。在Zigbee技术中，只有精简设备在信息交互和数据互联上存在局限性，其它设备均可以实现通信关联的功能。所以为了让精简设备也能够与外界环境实现信息数据交互，就需要一个具备此功能的协调器[8]。精简设备所占的传输资源并不多，使得整个设备的成本非常的低廉。

和其它信息传输技术相比，Zigbee技术具有诸多优势，包括运行制作成本小、带宽大、信息共享距离近、信息共享安全性高等。所以，此项技术在智能家居行业具有重要的应用价值，能够有效提升智能家居系统在未来市场的应用前景和实用价值，为发展智能家居系统拓宽了道路[9-10]。

4 结论

本文通过分析智能家居系统结构、智能家居整个无线网络系统，并通过分析整个无线网络的结构、特点及常用技术得出未来智能家居中无线网络中的常用技术，分析了常用技术Zigbee与其它技术的优势之处，此技术将是未来智能家居无线传感网络系统的关键技术。