【正文】 :智能家居市場(chǎng)具有巨大的潛力 [5]，而各類網(wǎng)關(guān)市場(chǎng)在中期范圍將表現(xiàn)出十分突出的增長(zhǎng)速度。 從設(shè)計(jì)思想和技術(shù)角度分析，當(dāng)前國(guó)內(nèi)的智能家居系統(tǒng)有兩個(gè)研究方向 :一是基于非PC平臺(tái)的智能家居系統(tǒng) ； 二 是基于 PC平臺(tái)的智能家居系統(tǒng) [4]。因此加強(qiáng)這方面的研究，如何選取合適的技術(shù)，進(jìn)行合理的方案設(shè)計(jì)，進(jìn)而組建一種符合我國(guó)國(guó)情的、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能家居系統(tǒng)己成為當(dāng)前智能家居領(lǐng)域中極富挑戰(zhàn)的課題。 智能家居系統(tǒng)的構(gòu)成 如圖 ，智能家居可以劃分為以下子系統(tǒng)： ? 照明控制系統(tǒng)：提供燈光的調(diào)光、場(chǎng)景控制； ? 家居安防系統(tǒng)：通過各種傳感器與安防模式，實(shí)現(xiàn)防盜、防災(zāi)與求助； ? 電器控制系統(tǒng)：包括紅外家電控制、連接網(wǎng)絡(luò)家電等功能； ? 環(huán)境控制系統(tǒng)：對(duì)窗簾、通風(fēng)設(shè)備、采暖設(shè)備、空調(diào)器等進(jìn)行統(tǒng)一管理； ? 互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控：經(jīng)由網(wǎng)頁(yè)瀏覽器，就可以遠(yuǎn)程控制家庭設(shè)備； ? 電話遠(yuǎn)程控制： 通過電話、手機(jī)，甚至短信，隨時(shí)隨地控制家中設(shè)備； ? 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控：通過瀏覽器，在辦公室就可以看到家中的情景； ? 智能化協(xié)同工作：設(shè)備之間可以設(shè)計(jì)聯(lián)動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)協(xié)同 工作 效果； ? 室內(nèi)無(wú)線遙控：通過無(wú)線射頻、紅外遙控等手段，對(duì)全家設(shè)備進(jìn)行遙控。家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要解決各種信息家電之間的信息傳輸，它能把家庭外部連接傳入的信息傳輸?shù)较鄳?yīng)的家電上去，同時(shí)可以把家庭內(nèi)部信息傳輸?shù)酵獠窟B接上。這不但增加了成本，帶來安裝的麻煩，而且是對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)，因此需要將這些信息電子設(shè)備連成網(wǎng)絡(luò)，讓它們共享一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，共用計(jì)算機(jī)平臺(tái)，并且互相協(xié)同工作，形成家庭范圍的小型網(wǎng)絡(luò)。目前可以選用的寬帶接入技術(shù)有 XDSL,HFC,FTTH,ISDN等。 (4)信息家電 信息家電是融合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)的消費(fèi)電子產(chǎn)品，是 3C技術(shù) (Computer Technology, Communication Technology 和 Control Technology)合一的產(chǎn)物，以利用信息家電網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)或被動(dòng)交互信息來完成產(chǎn)品功能為主要特征，相互之間可以 協(xié) 同完成特定任務(wù)，并且通過家庭 中央控制器 (或家庭網(wǎng)關(guān) )可以接入外部網(wǎng)絡(luò)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，信息家電的概念還在不斷的擴(kuò)大之中。 家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要解決各種信息家電之間的信息傳輸， 它能把外部連接傳入的信息傳輸?shù)较鄳?yīng)的家電上去，同時(shí)可以把內(nèi)部信息傳輸?shù)酵獠窟B接上 [3]。因此，合理選擇聯(lián)網(wǎng)技術(shù)就顯得非常關(guān)鍵 [6]。使用電力線的最大優(yōu)點(diǎn)在于不用改動(dòng)家庭 布線，利用現(xiàn)有的插座就可以實(shí)現(xiàn)家用電器的方便聯(lián)網(wǎng)。 (2) 電話線 近年來計(jì)算機(jī)廠商與消費(fèi)電子廠商成立了一個(gè)名為 HomePNA(家庭電話線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟 )的組織來推廣利用電話線聯(lián) 立家庭網(wǎng)絡(luò)。利用家里墻壁上預(yù)留的電話插座，可以避免重新布線的煩惱，但是家庭中不可能隨處都安裝有電話插座，當(dāng)買來新家電時(shí)還是會(huì)面臨重新布線的煩惱。以太網(wǎng)本身的實(shí)現(xiàn)成木并不高，但專門布線需要花費(fèi)大量的費(fèi)用。并且所有的 USB設(shè)備都支持熱拔插。 (5) IEEE1394 IEEE1394是目前獲得眾多家電企業(yè)、計(jì)算機(jī)企業(yè)支持的家庭娛樂電器聯(lián)網(wǎng)方案。目前它的傳輸速率可達(dá) 40OMbps。采用無(wú)線通信技術(shù)可以免去在家庭內(nèi)部布線的煩惱，無(wú)法重新布線的舊住宅用戶 可 以同新住宅用戶一樣享受到家庭聯(lián)網(wǎng)的便利，同時(shí)對(duì)家庭用戶來說，新增的家電設(shè)備也可以很方便的加入家庭網(wǎng)絡(luò)之中，從而解決了移動(dòng)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)問題。采用該技術(shù)的設(shè)備，無(wú)需專門申請(qǐng)?zhí)囟l率的使用執(zhí)照，并且體積小、功耗低。 (2) b 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，由 IEEE主持制訂。它支持異步傳輸，不支持同步傳輸，因此對(duì)語(yǔ)音通信這類業(yè)務(wù)。它采用每秒 50跳的跳頻擴(kuò)譜方式、時(shí)分多址 (TDMA)和載波監(jiān)聽多重訪問 /沖突避免 (CSMA/CA)等技術(shù)，通過家庭中的一臺(tái)主機(jī)在移動(dòng)數(shù)據(jù)和語(yǔ)音設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)通信。 (4) Bluetooth 藍(lán)牙 (Bluetooth)技術(shù)是一項(xiàng)開放 性 的全球統(tǒng)一的短距離無(wú)線通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，其目的是取代現(xiàn)有的各種電子設(shè)備 (如 PC、打印機(jī)、傳真機(jī)、移動(dòng)電話和個(gè)人數(shù)字助理 PDA 等 )上的 10 有線接口。另外，藍(lán)牙的功耗小、成本低、體積小 (27mm13mm2mm) ，可用于多種設(shè)備和場(chǎng)合。其中，傳輸功率最小的第二類等級(jí)是藍(lán)牙設(shè)備制造商最常采用的方案。如果發(fā)現(xiàn) RSSI值太低，接收機(jī)會(huì)要求增加發(fā)射功率。 表 無(wú)線通信技術(shù)比較 性能 紅外通信 HomeRF Bluetooth 工作頻率（ GHz） 105 數(shù)據(jù)速率峰值（ Mbps） 16 11 調(diào)制方式 PWM FHSS(50跳 /S) OFDM FHSS(1600跳 /S) 傳輸距離（ m） 13 50 50 10100 連接拓?fù)? 對(duì)等 對(duì)等或主從 中心對(duì)基站 對(duì)等或主從 實(shí)時(shí)性 無(wú) 有 無(wú) 有 方向性 有 無(wú) 無(wú) 無(wú) 系統(tǒng)成本 低 中 高 低 傳輸類型 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)、語(yǔ)音 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)、語(yǔ)音 應(yīng)用領(lǐng)域 PC外設(shè) PC外設(shè)、移動(dòng)終端 IP數(shù)據(jù)傳輸 PC外設(shè)、移動(dòng)便攜式終端 通過藍(lán)牙和紅外技術(shù)的比較，可見藍(lán)牙相對(duì)于紅外無(wú)線通信技術(shù)在很多方面都占有優(yōu)勢(shì)。 不同的無(wú)線通信技術(shù)之間的區(qū)別主要在于通信距離和數(shù)據(jù)傳輸速率。雖然它的數(shù)據(jù) 12 傳輸速率相對(duì)較高，但是它的設(shè)備比較昂貴，不適合普通家庭用戶使用。 (2) 藍(lán)牙的傳輸速率雖然不高，但對(duì)于家庭網(wǎng)絡(luò)中各種家電間中等速率的數(shù)據(jù)傳輸，完全可以滿足 ； (3) 相對(duì)于其它無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)而言，藍(lán)牙的抗干擾能力更強(qiáng)，它的快速跳頻使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，它的前向糾錯(cuò)能力可以限制噪 聲的影響，這樣家庭中的各種藍(lán)牙家電可以互不干擾地正常工作 ； (4) 藍(lán)牙系統(tǒng)具有連接的普遍性、標(biāo)準(zhǔn)的開放性以及很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以滿足家庭網(wǎng)絡(luò)中更多的需要 ； (5) 藍(lán)牙芯片的成本相對(duì)較低，而且還有進(jìn)一步下降的趨勢(shì)， 因而可以大大降低網(wǎng)絡(luò)家電的成本 ； (6) 中國(guó)無(wú)線電管理委員會(huì)已對(duì)藍(lán)牙技術(shù)開放了相應(yīng)的頻段， 為大面積的推廣應(yīng)用提供了前提和條件。其無(wú)線收發(fā)器是很小的一塊芯片， 大約有 9mmx9mm，可方便地嵌入到便攜式設(shè)備中，從而增加設(shè)備 的通信選擇性。一個(gè)跳頻頻率發(fā)送一個(gè)同步分組，每個(gè)分組占用一個(gè)時(shí)隙，也可擴(kuò)展到 5個(gè)時(shí)隙。 (1) RF技術(shù) RF技術(shù)使用接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，它們分別調(diào)諧在一個(gè)給定頻段的無(wú)線電波上進(jìn)行發(fā)射或接 收。 RF技術(shù)使用調(diào)頻產(chǎn)生一定頻 譜寬度的無(wú)線電波，對(duì)信息進(jìn)行編碼，接收機(jī)通過調(diào)整到相應(yīng)的頻率珍聽 這樣的無(wú)線電波。其他一些 RF通信技術(shù)也使用這個(gè)頻段，如HomeRF、無(wú)線局域網(wǎng)的 ，微波爐也工作在這個(gè)頻率范圍內(nèi)。 跳頻技術(shù)是擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)中的一種 [11]，是用一定碼序列進(jìn)行選擇的多頻率頻移鍵控，也就是用擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行頻移鍵控調(diào)制，使載波頻率不斷地跳變。顯然這個(gè)消息的接收機(jī)必須了解跳頻式樣，才 能調(diào)諧到正確的信道上連續(xù)地接收每個(gè)分組并組裝成一條完整的信息。它的基本單元是微微網(wǎng) (Pico)，也稱作匹克網(wǎng)，就是采用無(wú)線方式將若干藍(lán)牙設(shè)備連接起來。主設(shè)備單元負(fù)責(zé)提供時(shí)鐘同步信號(hào)和跳頻序列，而從設(shè)備單元一般是受控同步的設(shè)備單元，并接受主設(shè)備單元的控制。藍(lán)牙每個(gè)頻道 帶寬為 1MHz，相鄰頻道中心頻率間隔為 1MHz。藍(lán)牙微微網(wǎng)主設(shè)備在與多個(gè)從設(shè)備進(jìn)行通信時(shí)，它的收發(fā)頻率是隨時(shí)間而跳變的，藍(lán)牙的跳頻速率為 1600次 /s，每個(gè)頻率持續(xù) 625us，稱為一個(gè)時(shí)隙 (Time Slot)。圖 三 個(gè)跳頻序列k(i)，在不同的時(shí)刻 i,這 三 個(gè)序列對(duì)應(yīng)著不同的跳頻頻點(diǎn)，也就是說它們對(duì)應(yīng)著不同的藍(lán)牙跳頻信道。 圖 藍(lán)牙信道跳頻圖案 藍(lán)牙無(wú)線連接的建立 藍(lán)牙設(shè) 備在沒有開始工作之前都處于就緒 (Standby)狀態(tài)。尋呼隊(duì)列包含了設(shè)備所有可能的 32個(gè)跳頻頻段，主設(shè)備每隔 (device access code, DAC)。 尋呼監(jiān)聽是在設(shè)備地址已知的情況下采用的。在激活方式下，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。保持方式使設(shè)備保持自己的 AMADDR，并有時(shí)間完成監(jiān)聽等其他任務(wù)。 圖 藍(lán)牙無(wú)線連接的建立過程 控 制一臺(tái)藍(lán)牙空調(diào) 設(shè)備 ， 在沒有開始工作之前 空調(diào) 都處于就緒 (Standby)狀態(tài)。 藍(lán)牙應(yīng)用模式 藍(lán)牙技術(shù)的出現(xiàn)將有力地推動(dòng)通信、計(jì)算機(jī)和信息家電的結(jié)合， 以及移動(dòng)通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、家庭或企業(yè)的局域網(wǎng)之間的結(jié)合。 替代電纜 無(wú)論是在辦公室， 在實(shí)驗(yàn)室， 還是在家庭中，計(jì)算機(jī)及其外部設(shè)備的應(yīng)用越來越普及，它們之間的信息傳遞傳統(tǒng)上必然要通過連接電纜，這就給使用者帶來很大的不便。 無(wú)線聯(lián)網(wǎng) 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具有常規(guī)有線網(wǎng)絡(luò)無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在應(yīng)用場(chǎng)合的可移動(dòng)性和組網(wǎng)的低成本方面。目前普遍認(rèn)為藍(lán)牙是構(gòu)造 PAN的首選技術(shù)。這種被稱為“三隨”的因特網(wǎng)網(wǎng)橋是藍(lán)牙推薦的應(yīng)用模式之一。 如今利用手機(jī)上 網(wǎng)已經(jīng)不是什么新鮮事了。 藍(lán)牙本身無(wú)需基站，但是如果所需連接的設(shè)備超過了 7個(gè)，而且傳輸?shù)木嚯x超過了藍(lán)牙規(guī)定的 l0m或 l00m，就有必要建立一個(gè)藍(lán)牙基站作為中繼環(huán)節(jié)或者控制中樞。藍(lán)牙接入點(diǎn)包括了三種應(yīng)用方案 :單接入點(diǎn)應(yīng)用方案、局域網(wǎng)應(yīng)用方案和廣域網(wǎng)應(yīng)用方案。藍(lán)牙的互操作性主要表現(xiàn)在如下兩個(gè)方面。另外，遵循不同版本的藍(lán)牙產(chǎn)品之間的兼容性也是一個(gè)問題。 軟件問題 藍(lán)牙規(guī)范目前尚未植入通用操作系統(tǒng) [13]，即它本身的操作系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，不與任何通用操作系統(tǒng) (如 Windows或 Linux)捆綁， 應(yīng)用軟件也相對(duì)稀少。針對(duì)這些問題，新一代的藍(lán)牙規(guī)范己予以改進(jìn)。 現(xiàn)在我們以一個(gè)三房一廳的的房型為例， 如圖 所示 ，設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線的智能家居系統(tǒng)。 系統(tǒng)示意如圖 。 (4)藍(lán)牙系統(tǒng)具有連接的普遍性、標(biāo)準(zhǔn)的開放性以及很強(qiáng)的擴(kuò)展性，可以滿足家庭網(wǎng)絡(luò) 中 24 更多的需要 。 圖 藍(lán)牙無(wú)線智能家居系統(tǒng)示意圖 家庭智能控制器 藍(lán)牙無(wú)線收發(fā)模塊 遠(yuǎn)程電話控制器 報(bào)警控制器 無(wú)線抄表控制器 空調(diào) 微波爐 洗衣機(jī) 燈光 家電控制器 電話 手機(jī) 水表 電表 氣表 藍(lán)牙網(wǎng)關(guān) 無(wú)線收發(fā)模塊 無(wú)線遙控器 門窗傳感器 煙霧煤氣傳感器 無(wú)線紅外傳感器 無(wú)線緊急按鈕 社區(qū)網(wǎng)絡(luò) 藍(lán)牙 電腦 攝像頭 25 表 功能配置表 _ 玄關(guān) 餐廳 廚房 客廳 主 人臥室 衣帽間 主人浴室 兒童房 客人臥室 衛(wèi)生間 過道 陽(yáng)臺(tái) 智能安防 √ ● √ ● √ ● √ ● √ ● _ _ √ ● √ ● √ ● √ ● √ ● 電話遠(yuǎn)程控制 √ √ √ √ ● √ ● √ √ √ √ √ √ √ 無(wú)線遙控 √ √ √ √ ● √ ● √ √ √ √ ● √ √ √ 定時(shí)控制 _ _ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 集中控制 √ √ √ √ ● √ ● √ √ √ √ √ √ √ 場(chǎng)景控制 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 電腦控制 √ √ √ √ √ ● _ √ √ √ √ √ √ 電器控制 _ _ √ ● √ ● √ ● _ √ ● √ ● √ ● √ ● √ ● √ ● 自動(dòng)窗簾 _ _ _ √ ● √ ● _ _ √ ● √ ● _ _ _ 智能照明 √ ● √ ● √ ● √ ● √ ● √ ● √ ● √ ● √ ● √ ● √ ● √ ● 注：●表示在此區(qū)域安裝，√表示在此區(qū)域支持此功能 26 設(shè)備的選型 智能家居設(shè)備的選型原則 (1)標(biāo)準(zhǔn)化：智能家居產(chǎn)品依照國(guó)際上流行的藍(lán)牙相關(guān)協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分保證各廠家產(chǎn)品間的兼容性和相互操作能力。 (3)模塊化：采用模塊化的設(shè)備適應(yīng)各種場(chǎng)合的需要，保障用戶的利益，并允許系統(tǒng)的逐步到位。同時(shí)系統(tǒng)能夠最大程度兼容用戶 原有電器設(shè)備，保護(hù)用戶投資。 主要設(shè)備 在整個(gè)智能家居 “無(wú)線解決方案 ”中 ,主要的設(shè)備有：無(wú)線網(wǎng)關(guān)、電話遠(yuǎn)程控制模塊、無(wú)線探測(cè)器，智能網(wǎng)絡(luò)開關(guān)和插座等。 27 圖 金甌藍(lán)牙網(wǎng)關(guān) 型號(hào)： BTP103 金甌藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了 Bluetooth Serial Port Profile、 Lan