传感网技术与智能家居产业化.docx
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传感网技术与智能家居产业化
2010年第11期
物联网的概念是在1999年提出的,它的定义是:
把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化的识别和管理。
其实质是利用无线通信技术,通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享。
在整个体系中包含了传感网、中间件、ONS（对象名解析服务服务器以及PML（物理标识语言服务器几大部分。
随着近十年来物联网技术的飞速发展,特别是对传感网研究的深入,人们开始考虑将传感网研究的相关成果应用于智能家居,打造一个智慧、高效和节能的居住环境。
1传感网
当前,物联网应用相当火热,人们普遍认为,物联网将是下一个经济发展的增长点和支撑点。
有人估算,物联网的市场将是Internet的30倍。
各地对物联网的发展都十分重视,例如,江苏省规划至2012年物联网产业规模要达到1200亿人民币,2015年达到4700亿人民币。
物联网之所以有这样大的发展空间,它的无处不在和渗透一切是关键因素,因此,除了在社会和经济各方面的应用（例如,工业、军事、医疗等外,深入家庭对物联网的发展有至关重要的意义。
智能家居同样可以看作是物联网技术在社会生活中的一个重点应用。
物联网体系中极为重要和基础的一环便是传感网,它是这样一种网络,通过随机分布的,集成了传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点,通过自组织的方式构成的无线网络。
而智能家居所要实现的便是对各种家电设备进行感知和控制,因此,物联网当前飞速发展的趋势是推进家居智能化这一产业很好的时机。
2智能家居
智能家居又称智能住宅,国外常用SmartHome表示,它是以住宅为平台,利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将与家居生活有关的设施集成,构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统,提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性,实现环保节能的居住环境。
当前,各个国家和地区有不同的智能家居协议标准,就是在同一地区也有不同的厂商与组织涉足,出现了多标准林立的现象。
目前国际上占主导地位的家庭网络标准有美国的X-10、消费电子总线（CEBus、日本的家庭总线系统（HBS和欧洲安装总线（EIB。
1X-10协议
X-10是世界上第一个利用电力线来实现对电灯等家用电器控制的规范,其技术最初由PicoElec-tronicsLtd.于1979年开发成功,后转让给当时比较著名的BSR音响公司。
1990年BSR公司休业后,X-10的开发人员买下了该项技术并成立了X-10公司,生产和销售X-10的产品,美国的一些公司（如Shack、Stanley、Leviton、Honeywell也生产和销售X-10的产品,包括照明设备、遥控器、保安设备等。
目前,数百万美国家庭在使用X-10产品。
2CEBus协议
CEBus的发展可以追溯到1984年,美国电气工业协会（EIA的消费电子小组开始制定在家庭中使用的消费产品的网络通信标准,此标准后来被称作消费电子总线。
消费电子总线网络拓扑结构可以是
传感网技术与智能家居产业化
吴晓伟,丁傲西,卢捍华
（南京邮电大学计算机学院,江苏省南京市210003
摘要首先对物联网体系中的传感网技术做了简单介绍,罗列了目前国际上一些较成熟的家居智能控制的标准,对其中的主流技术做了相关介绍。
主要目的是通过对该领域相关技术的深入分析,探讨物联网中的传感网技术应用于智能家居的前景,分析如何将智能家居在国内产业化,推动这样一种新的生活方式普及到人们的日常生活中。
关键词传感网;智能家居;ZigBee;Z-Wave;互联网关
论文选粹
2010年第11期
总线型、星型、树型或混合型。
总线中的每个节点的地位是平等的,不需要主控设备。
对于多节点竞争访问网络资源的解决方法是采用冲突检测和冲突分辨协议（CSMA/CDCR,网络中各节点的控制关系通过绑定来实现,从而使整个家庭中的电器系统能成为一个智能的整体。
3HBS协议
HBS是由日立、三菱、松下、东芝等联合提出的概念,由日本电子工业联合会/无线工程电子协会HBS标准委员会制定。
HBS以双绞线或同轴电缆为通信介质,控制通道最多可以有64个节点,家用电器经HBS总线互联,组成一个完整的家庭网络。
协议主要用于电器开关量以及简单模拟量的控制,采用专用总线,具有抗干扰强、安全性高等优点。
4EIB协议
EIB是在欧洲占主导地位的楼宇自动化（BA和家庭自动化（HA标准,是由Siemens、ABB等一些知名企业首先提出的,它出现较晚,但是发展比较迅速。
与CEBus类似,EIB也是一个开放的协议,同样采用双绞线、电力线、同轴电缆、无线等丰富的通信介质,其中应用较为广泛的是双绞线和电力线。
使用双绞线时,每个物理段可长达1000m,传输速率为7.6kbit/s。
使用电力线时,最大传输距离为600m。
EIB网络也是一个完全对等（peer-to-peer的分布式网络。
网络上的每个设备具有相等的地位,EIB中每个Domain（域最多可以有15个Area（区,每个Area最多可以有15条Line（线,而每条Line最多可容纳255个设备。
由以上介绍可看出当前要实现家居智能化,技术上并不存在很大障碍,市场上也已有不少相关产品,特别是在这一领域开始较早的欧美发达国家。
但从中也不难发现一些问题,各个标准之间的兼容性较差,而且大多是采用电力线或其他线缆来传输数据和控制信号,势必会给家居环境带来不便。
传感网技术的飞速进步给智能家居的发展带来了一个新的契机,无线自组织网络所带来的快速和便捷的布控优势是其他相关技术所无法比拟的。
3技术的研发与应用
3.1传感网的相关技术
传感网的技术比较成熟,相关技术标准也较多,主要包括RFID、ZigBee、Z-Wave、UWB、NFC以及无线局域网802.11（Wi-Fi、Wibree、Rubee等。
考虑到智能家居系统中各个节点对于数据传输速率要求不高,并且要求低功耗低成本这一特点,ZigBee与Z-Wave技术无疑是首选。
两者的发展速度都比较快,Z-Wave技术的相关产品也已经进入了美国普通民众的家庭,对ZigBee技术应用于智能家居的研究也取得了很大进展。
1ZigBee技术
Zigbee是基于IEEE802.15.4协议的短距离通信标准,根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术,其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。
主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。
Zigbee是一种高可靠性的无线数传网络,类似于CDMA和GSM网络。
Zigbee数传模块类似于移动网络基站,通信距离从标准的75m到几百米、几千米,并且支持无限扩展。
Zigbee是一个由可多达65000个无线数传模块组成的无线数传网络平台,在整个网络范围内,每个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信,每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。
2Z-Wave技术
Z-Wave是一种新兴的、基于射频的、低成本、低功耗、高可靠性、适用于网络的短距离无线通信技术。
工作频带为908.42MHz（美国~868.42MHz（欧洲,采用FSK（BFSK/GFSK调制方式,数据传输速率为9.6kbit/s,信号的有效覆盖范围在室内是30m,室外可超过100m,适用于窄带宽应用场合。
随着通信距离的增大,设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加,相对于现有的各种无线通信技术,Z-Wave技术将是最低功耗和最低成本的技术。
Z-Wave有力地推动着低速率无线个人区域网的发展。
3.2传感网技术的开发应用
目前,美国市场上已有成品的Z-Wave家居产品销售,包括各种家电控制设备。
例如,由Zensys公司推出的远程遥控器和插座,通过该遥控器可以实现对插座的绑定,以此来控制该插座,就能实现对接入该插座的调光或调速设备的自动调节,也可以实现对开关控制设备的远程遥控,相当便捷,操作也很人性化。
通信距离也足以满足一般家庭的要求,而且通过在盲区加入中继器的方式可以实现更大范围的控制。
目前Z-Wave联盟并没有开放此标准,然而Zigbee技术现已成为国际通行的标准,而且它的协议栈也已经通过免费方式提供,以方便各个厂商和研究机构加入其中。
因此,有越来越多的高校和研究机构开论文选粹
2010年第11期
始了对ZigBee技术的研究。
ZigBee的低成本、低速率、低能耗和高度的网络安全性等特点很好地满足了智能家居的要求,无线网络的特点也使得设备的布控非常便捷。
传感网技术的发展给智能家居行业带来了新的机遇,在家居智能网络中采用传感网的模型如图1所示,图中以采用ZigBee无线技术为例。
4技术推广
4.1需求分析及应对策略
从以上分析来看,传感网技术应用于家居智能化方面有很大的技术优势,其中ZigBee和Z-Wave这两种技术业已成熟,在时延、能耗、速率和网络容量方面都能满足一般家庭的应用。
因此,在国内该领域还比较空白的情况下,可借助物联网热潮的发展来大力推进相关技术的研发,尽快做到产品化来应用于国内住房智能化改造上。
当然,一种新技术要想获得推广将面临很多问题,特别是如此庞大的一个市场,必须在完成实用、低成本、安全性和稳定性等方面的所有相关理论与实际验证后才能推向市场。
从当前的情况和对市场的了解来看,除了技术和标准等方面的原因外,影响家庭智能化发展的主要因素有:
a复杂的家庭智能化应用突然引入家庭不符合人们的日常使用习惯,使人望而生畏,从而影响其普及。
b家庭智能化产品和解决方案多属于锦上添花的性质,没有突出的优越性,不能很好吸引消费者。
c人们担心复杂的电子产品带来的可靠性、稳定性问题,因为这些问题会直接影响人们的日常生活。
d各种产品和解决方案的成本还比较高,再由于以上原因,人们很难为此接受较高的价格。
该部分论述的主要目的在于如何将物联网的重要组成部分传感器网引入家庭,针对以上情况,可以采用以下技术路线和推广路线:
a从发挥传感网的优势入手,进行家庭应用的研究。
传感网应用的优势包括:
ⅰ无线传感网节点容易改变位置,便于家居布置的改变和调整。
ⅱ智能化设备可以方便地对家庭电力设备进行控制。
ⅲ可在原有节点上很方便地引入不同的传感器。
ⅳ低功耗便于家庭无线应用。
ⅴ可以进行智能化关联控制。
ⅵ可以方便地改变控制配置。
b从尽量符合人们使用习惯和最需要改变的方面入手,充分显示传感网应用的优越性,逐渐改进家庭设施的自动化和智能化水平。
c从单一应用入手,逐步向系统应用推进。
d注重实用性、可靠性和安全性,便于普通家庭接受。
4.2应用难点
一项技术的推广需要考虑很多方面,在解决了自身技术问题的同时,还需要分析在推广普及的过程中遇到的问题。
1标准化问题
智能家居这一领域市场较大,吸引了不同的厂商和组织进入,市场上肯定会充斥着不同厂家采用不同技术标准生产出来的产品,如何做到产品之间可以互相兼容非常重要,这样可以使用户有更多选择,可以使用不同厂商的产品,同时也保护了用户的投资。
因此,互联网关的研究在推进这一技术的过程中扮演着很重要的角色,互联网关必须具备无缝接入新的技术标准的能力,通过简单的配置便可以使不同标准的产品在同一个家庭网络中协同工作。
2安全问题
因为涉及到无线信号在家居空间的传输,所以还需要将信号的发射功率控制在一个规定的标准内,同时要经过大量的实验论证来保证其不会对人体构成伤害。
用户在采用一种产品时会比较关注产品的安全问题,因此在最终的产品推向市场之前肯定需要经过国家相关安全标准的认定。
5结束语
当前物联网产业获得了各级政府的大力扶持,这样一个大环境便于推进传感网技术的发展,加之（下转第46页
图1家居智能网络中采用传感网的模型论文选粹
2010年第11期
（上接第36页
当前提倡低碳生活,利用该技术来打造一个高效、节能、智慧的家居环境便显得尤为重要。
参照国际上智能家居的发展情况,在利用传感网技术推进家居智能化的过程中也将面临许多问题,要在设备兼容性以及降低成本和设备安全性等方面做很多工作。
但是传感网技术的先天优势还是很有利的,与以往的智能家居标准相比,无需布线、网络容量大、能耗低等优点使该技术的应用前景非常光明。
参考资料
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吴晓伟（1986—,男,硕士研究生,主要研究方向为计算机在通信中的应用。
收稿日期:
2010-06-26
会极大浪费节点资源,而结构化方法则对拓扑结构限制性较高,对节点移动性的适应力较差。
b根据移动环境设计新的搜索策略。
目前已提出的搜索算法包括基于地理位置的DHT路由算法、基于二分搜索树的Peer-Tree算法、基于可变索引半径的动态索引策略等先应式策略以及反应式策略（如使用类Gnutella的泛洪搜索算法MPP（mobileP2Pprotocal。
3在数据分发策略方面,研究分为路由驱动和路由无关两个方向。
路由驱动数据分发策略主要有可感知环境的自适应路由技术、智能化异步传输机制等。
路由无关数据分发策略主要有Tornado编码和传染病信息分发算法。
传染病数据分发模型具有高可靠性和健壮性的优点,但其消息转发次数、目标节点数、缓存空间大小等主要参数之间的互相影响还需要进一步进行研究。
4目前对于基于Internet的P2P系统的安全和隐私问题的研究还处于起步阶段,在信任管理方面,提出了使用TrustedComputingGroup（可信赖计算组织规范的P2P网络安全方案,但并没有针对移动P2P网络给出相应的解决方案。
在访问控制方面,有专为无线移动环境的P2P协作开发的访问控制系统。
在匿名通信方面,目前已提出一种可在移动P2P环境中实现的基于秘密共享的双向匿名机制。
3结束语
随着通信技术的进步和社会的发展,人们对移动通信网络的自组织能力要求不断提高,MANET由于其特有的分布式网络架构、无需基础设施的高度自组织能力、出色的鲁棒性和抗毁性成为人们关注的焦点。
可以预见,在MANET上构建P2P应用有着很好的发展前景。
文中对移动P2P网络的研究现状作出了阐述,目前在构建可靠覆盖网络、资源搜索以及安全隐私等方面仍需进行进一步研究,无论对用户或者运营商,移动P2P网络的研究都具有重要的现实意义。
参考文献
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龚艳琼（1987—,女,研究生,主要研究方向为通信网络。
收稿日期:
2010-08-29
科普园地
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