家庭物联网技术在智能家居系统的应用

摘要：智能家居系统主要由家庭物联网、家庭无线局域网和外网组成，ZigBee技术具有低成本、高可靠性、功耗低等优点，主要用以构成家庭物联网部分。设计了一个基于ZigBee技术的家居智能控制系统，重点阐述了ZigBee技术、系统的设计方案、智能插座及数据传输协议等，其中智能插座是智能家居的核心部分，它具有用电状态监测、通信组网等功能。该系统已经在绍兴电力局智能小区试点正常运行，性能良好，具有较高的可用性和可靠性，市场前景较好。
关键词：智能家居；家庭物联网；智能插座；ZigBee

0 引言
    智能家居系统是一个开放的、使用了多项高新技术的智能化、人本化的集成型家居系统，它把宽带互联网、家电设备、家居自动化和家庭安全防护防盗有机地结合到一起。家庭智能控制器是家庭网络的枢纽，通过家庭智能控制器可以对家庭网络中的信息家电进行中央监控和远程控制。
    现阶段家庭系统接入互联网的方式主要为有线接入，目前最流行的有线宽带接入技术是ADSL(非对称数字用户线)和HFC(同轴光纤混合网)。然而，现有的无线通信网络也具备了为数据通信业务提供一定传输速率的能力，如ZigBee网络理论上能够提供高达250Kb／s的传输速率，完全满足信息家电控制信息传输的要求，所以说，家庭网络无线通信方式具有广阔的发展前景。
    智能家居系统由家庭物联网、家庭无线局域网及外部网3个网络组成。家庭物联网通过可靠的全覆盖的无线网络(ZigBee、小无线、电力线载波等)组建的家庭物联网；物联网络有网络节点和管理中心组成。家庭无线局域网的通信模块通过WiFi组建的家庭高速局域网，网络采用TCP／IP标准协议。外部网可以是小区局域网、有线电视网、电话网和Internet等，大多采用比较成熟的技术。
    本文使用ZigBee技术来设计家庭物联网，通过智能插座控制各种家电设备及照明系统，将智能用电业务的网络计量、有序用电管理与智能控制结合的新一代智能家居系统。

1 ZigBee技术特点
    ZigBee技术是近年来新兴的一种无线技术，相比以太网、GPRS及CDMA等远距离通信技术，具有短距离、低复杂度、低功耗、低速率、短时延、大容量、通信可靠性高等特点，与蓝牙、WiFi等近距离无线通信技术相比，尽管传输速率低，但是具有功耗低，电池寿命长的最大优
点。ZigBee采用的物理、MAC层协议是IEEE 802．15．4，它工作在868 MHz，915 MHz和2．4 GHz三种工业科学医疗(ISM)频段，其中，2．4 GHz频段在全球免费使用。综上所述，ZigBee技术的特点非常适合应用于智能家居系统，因此在绍兴电力局智能小区试点中家庭物联网采用ZigBee技术。

2 系统设计方案
    本文的智能家居系统结构如图1所示。

    整个系统由智能家居的网关和ZigBee无线网络组成，主要实现对家电、照明系统、安防系统的控制等功能。

3 智能插座
    智能插座主要用于控制电视机、电冰箱等类似电器设备，它不仅具有普通插座的通断功能，还具备计量、通信等功能，支持远程管理，用户可以根据实际应用需要进行选择。智能插座主要由通信模块、计量模块、电源模块、输出控制电路、保护电路、按键电路和显示模块组成，主板电路芯片如图2所示。

4 数据传输协议
4．1 数据链路层
    本协议为主-从结构的半双工通信方式。手持单元或其他数据终端为主站，智能插座为从站。每个智能插座均有各自的地址编码。
    通信链路的建立与解除均由主站发出的信息帧来控制。
    每帧由帧起始符、从站地址域、控制码、数据域长度、数据域、帧信息纵向校验码及帧结束符7个域组成。每部分由若干字节组成。
4．2 字节格式
    每字节含8位二进制码，传输时加上一个起始位(0)、一个偶校验位和一个停止位(1)，共11位。其传输序列如图3。DO是字节的最低有效位，D7是字节的最高有效位。先传低位，后传高位。

4．3 数据标识
4．3．1 数据标识结构
    数据标识编码用4个字节区分不同数据项，4个字节分别用D13，D12，DI1和DI0代表，每字节采用16进制编码。数据类型分为7类：电能量、最大需量及发生时间、变量、事件记录、参变量、冻结量、负荷记录。
4．3．2 帧格式
    帧是传送信息的基本单元。帧格式如图4所示。
4．3．3 数据传输形式
    数据标识码标识单个数据项或数据项集合。当请求访问由若干数据项组成的数据集合时，可使用数据块标识码。实际应用以数据标识编码表定义内容为准。

5 结语
    本文在ZigBee技术的基础上设计家庭物联网技术，设计了一种结构简单、成本低、性能高、功耗低的智能家居系统。该系统已经应用在绍兴电力局的智能小区试点项目上，所设计的智能家居系统具有电力特色，可以完成电力业务的网络计量、家庭用能信息管理、模式控制达到节约能源，减少能源消耗的目的。另一方面，智能家居具有可视对讲、家电本地和远程控制、安防报警等家居智能化设计，使用户享受家居智能化的舒适和方便的同时，也可以实现节能环保、降低家庭能源消耗，从而达到生活智能化的目标，为实现更好的智能家居系统提供了一个良好的解决方案。