传感网技术与智能家居产业化.docx

1、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

2、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

3、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 Smart Home 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 、

4、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 。1 X-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 Pico Elec-tronics Ltd. 于 1979年开发成功 , 后转让给当时比较 著名的 BSR 音响公司 。

5、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 。2 CEBus 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

6、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

7、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 。3 HBS 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

8、 , 具有抗干扰强 、 安全性高等优点 。4 EIB 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 (pee

9、r-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

10、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 Zi

11、gBee 技术应用于智能家居的研究 也取得了很大进展 。1 ZigBee 技术Zigbee 是基于 IEEE 802.15.4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

12、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 。 2 Z-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

13、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

14、。 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 ,

15、 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

16、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

17、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 : 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 。 智能 化设备可以方便地对家庭电力设备进行控制 。 可 在原有节点上很方便地引入不同的传感器 。 低功 耗便于家庭无线应用 。 可以进行智能化关联控 制 。 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

18、, 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

19、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

20、 , 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1胡葛军 . 短距离无线通信技术在智能家居中的应用 D . 北京工业大学 , 2006.2吴光荣 , 章剑雄 . 基于 CC2430的无线传感器网络的实现J . 现代电子技术 , 2008(12:12

21、1-124.3Maxim Osipov.St.Petersburg. Home Automation with ZigBee R . Siemens Corporate Technology , 2006. 4Young Guk Ha. Dynamic integration of zigbee home networks into home gateways using OSGI service registry J . Consumer Electronics , IEEE Transactions on , 2009, 1-7.5Per Printz Madsen Ph D. HomeP

22、ort :An Intelligent Home Control System D . M.Sc.E.E. The Department of Electronic Systems Aalborg University , Fredrik Bajers vej 7.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

23、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 (mobile P2P protocal 。 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

24、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 Trusted Computing Group (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

25、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1中 国 互 联 网 络 发 展 状 况 统 计 报 告 OL . http:/research. 2欧中洪 , 宋美娜 , 战晓苏 , 宋俊德 . 移动对等网络关键技术 J . 软件学报 , 2008,

26、19(2:405-418.3Gmber I , Schollmeier R , Kellerer W. Performance evalu-ation of the mobile peer-to-peer service J . In:Proc. of the IEEE Int l Symp. on Cluster Computing and the Grid. 2004. 363-371.4程久军 , 李玉宏 , 程时端 , 等 . 移动 P2P 系统体系结构与关 键技术的研究 J . 北京邮电大学学报 , 2006(4:86-89. 5Repantis T , Kalogeraki V. Data dissemination in mobile peer-to-peer networks C . In:Proc. of the 6th Int l Conf. on Mobile Data Management Table of Contents. 2005. 211-219.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!