版權申明：本文為博主窗戶(Colin Cai)原創，歡迎轉帖。如要轉貼，必須注明原文網址 http://www.cnblogs.com/Colin-Cai/p/8490423.html 作者：窗戶 QQ：6679072 E-mail：6679072@qq.com
0 引 言
智能家居是指利用先進的計算機技術、網絡通信技術、綜合布線技術，將與家居生活有關的各種子系統有機地結合在一起，通過統籌管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效。隨着社會全面的信息化、智能化和網絡化，智能家居的日益普及將是一種必然。
智能家居作為一個新生事物，目前處於只有初步概念，尚未有任何標准的階段。
本文為智能家居系統提供一個可能的設計模式以及未來發展的行業方向。
1 整體結構
智能家居的家庭內部結構，需要包含一個嵌入式的智能網關，作為家庭智能家居的核心存在。圍繞着智能網關，智能家居可以擴展性的加入各種方式的節點，用於各種對於家用電器/家庭通信設備/安防設備/計費儀表/節能設備/家具等進行控制與數據交互。另外，智能網關需要提供一個人機交互的手段。其內部的關系拓撲結構如下：
圖1 智能家居內部結構
Fig.1 The internal structure of the smart home
考慮到小區可能需要一定的管理，比如包括物業信息傳達，交納費用等，智能家居可以再往上擴展，並以Internet為載體，以便於遠程訪問。以下為可能的小區拓撲結構：
圖2 小區網絡結構
Fig.2 The structure of the community network
小區網關對內和小區內所有家庭的智能家居網關在同一個局域網內，可以隨時和智能網關進行通信。小區網關對外接Internet。這樣就可以從外部通過Internet訪問該小區內任何一個家庭的智能家居。
由上，我們可以看出，對於單個家庭的智能家居來說，其智能網關是作為系統正常工作的核心設備存在的，而對於一個小區所有的智能家居來說，小區網關是作為關聯所有智能家居系統，提供Internet服務的核心存在。這樣，整個小區的智能家居網絡結構成一個樹形。最頂層是小區網關，第二層是智能網關，第三層是各種類型的節點。樹狀拓撲結構清晰，控制路徑單一，小區網關也可以分為多層，對低層的智能家居節點也一樣可以分為多層，根據實際情況而定，但在普通的情況下，三層是比較普遍的。
2 通信方式
智能家居系統中，節點用來控制家庭的各個部分以及反饋各個部分的相關信息，用於家用電器/家庭通信設備/安防設備/計費儀表/節能設備/家具等。
安防設備中，比如攝像頭，一般采用以太網或者WIFI來做為通信手段，而其他安防設備，比如門禁，通信數據量並不大，不一定需要較高速率的傳輸手段。
智能計費儀表有些可能帶有各自的無線通信模塊，電表采用電力載波(PLC)傳輸比較常見。雖然智能網關一般來說不太會為了和電表通信而加一個電力載波模塊，但可以設計一個電力載波轉別的通信的硬件來作為電表節點使用。
家用電器一般采用紅外控制，考慮到紅外通信的傳輸距離問題，傳輸距離最大只有十米，並且無法穿越牆壁等障礙，所以智能網關直接使用紅外控制並不是可選方案，我們可以用一個家電控制模塊去充當節點，而家電控制模塊再通過別的方式與智能網關通信。
而對於其他設備，如果在設計中要被應用到智能家居系統之中，也可以附着其他節點所已經使用的通信手段來實現。
對於智能家居系統，考慮到家庭裝修的美觀以及使用的方便，一般不宜采用有線的方式來作為通信介質，而采用無線的方式來通信。WIFI可以用於大數據量通信，適合用於攝像頭。盡管WIFI在通信速率上本可以做為所有節點間的通信手段，但考慮到WIFI用於TCP/IP的通信，而使用這樣復雜的協議棧對於處理器要求比較高，另外加上功耗比較高，所以在慢速無線通信的時候，可以采用其他相對簡單的無線通信。除了ISM頻段，其他頻段需要許可證，用於專用的通信，所以只可以在ISM頻段下選擇非WIFI的另外一種通信方式。
目前最常用的無線通信方式除了WIFI外主要有Zigbee/藍牙等。Zigbee和藍牙盡管都適合低速率傳輸，但Zigbee有更加強大的網絡拓撲功能，而藍牙目前最主要用來一對一的通信。
3 Zigbee網絡
3.1 Zigbee簡介
Zigbee(IEEE802.15.4)技術是2000年以來建立起的一種采用跳頻技術和擴頻技術來實現的無線通信技術，采用2.4G頻段，該頻段屬於ISM。
IEEE802.15.4標准只是規定了物理層(PHY)和媒體接入控制層(MAC)，但設計PHY和MAC的時候考慮到了之后協議擴展的需要，而zigbee在此基礎上再加入了上層協議，包括網絡層和應用層。
3.2 Zigbee網絡
除了最簡單的一對一通信之外，zigbee實現了各種網絡結構，所有的zigbee網絡中，都有唯一的一個核心，稱之為協調器。除了協調器之外，還有一些其他的成員，根據網絡中其他成員與協調器之間關系，可以分為星型網絡，以及樹型網絡，還有最復雜的網格網絡。
星型網絡:所有的非協調器網絡成員只與協調器之間直接通信，成員之間的通信通過協調器轉發。
樹型網絡:整個網絡拓撲是一個樹型，網絡中兩個網絡成員之間通信可能需要別的成員進行數據轉發。因為為樹型，任何兩個非協調器成員之間的通信路徑單一。
網格網絡：網絡拓撲是一個連通圖，但可能不是樹型，於是可能存在兩個點的通信路徑不唯一。
對於樹型網絡和網格網絡，稱參與通信數據轉發的非協調器成員叫路由器，而不參與通信數據轉發的成員叫節點。
3.3 Zigbee的優點以及缺點
Zigbee的優點主要有如下幾點：
低功耗：引入休眠和喚醒機制。
低成本：Zigbee協議棧實現簡單，無專利費的門檻。
網絡容量大：當采用網格網絡組網的時候，整個網絡最大的規模可以到60000以上。一個區域內可以同時存在最多可達100個不同的Zigbee網絡
安全性：采用AES 128位對稱加密算法保障用戶通信安全，非對稱加密計算復雜度底，使用單片機完全可以完成。
通信可靠：動態組網，網絡拓撲結構可能隨時自動調整。
當然Zigbee也有缺點，缺點主要有如下幾點：
傳輸距離小：Zigbee網絡有效傳輸距離一般10米~75米，這個距離使得覆蓋面積較小。用功率放大器可以擴大覆蓋范圍。
數據傳輸速率低：鏈路層上的速率只有200Kb/s，在此基礎上，還有幀頭、應答、重傳以及信道競爭等等，所以實際的速率是很低的。
3.4 為何采用Zigbee
Zigbee的通信實現簡單，協議棧可以在一個主頻只有50MHz，RAM只有8k的處理器上運行，對硬件的要求很低。Zigbee動態組網，隨時可以加入新的節點到網絡，組網方便。Zigbee對於普通不帶路由功能的節點通信采用休眠/喚醒機制，大多數情況下硬件可以處於休眠狀態，功耗可以很低，兩節5號電池可以使用半年之久。
考慮到智能家居系統之中，一些節點可能需要電池去供電，功耗是一個很重要的參考因素。大多數的通信在於節點狀態匯報，網關發出控制指令等，而這些通信數據量都很低。從而，設計智能家居系統的時候，可以考慮使用zigbee作為智能網關與各個節點之間通信的手段，采用網格網絡比星型網絡更有優勢。在Zigbee網格網絡中，路由器因為隨時需要通信轉發，所以無法休眠，耗電量相對較大，設計時可以考慮使用在一些外部供電的節點上，例如電表抄表、智能插座;而不帶路由功能的普通節點可以使用在一些電池供電的手持設備，例如家電控制模塊。整個Zigbee網格網絡的協調器由智能網關擔當。
如此設計低速無線通信方案，比較實用、經濟。
4 智能網關
作為家庭智能家居的核心，智能網關的硬件軟件設計上要滿足其跟功能性、擴展性的需要。
4.1 智能網關的硬件
在處理器的選擇上，可以選擇基於ARM的處理器芯片，集成視頻/音頻等處理模塊，性價比較高。考慮到網關這里功能復雜，數據處理量比較大，選擇支持主頻512M以上。
存儲上選擇512M DDR，256M nandflash,滿足處理以及存放系統程序的需要，另外，需要SD卡插槽，可以用來存儲圖象等大數據量文件。
對於攝像頭這樣的高速設備，以太網口是最佳的傳輸方式，因為傳輸穩定，傳輸速率高，但考慮到家庭裝修的美觀以及攝像頭所放位置的隨意，考慮WIFI來作為傳輸接口。Internet可以通過家用的WIFI路由器連小區網絡。
對於慢速無線，可以選擇zigbee作為傳輸接口。
智能網關可以作為手持設備，需要一個手觸屏作為手持人機交互界面。
同時需要音頻，包括揚聲器和話筒，可以滿足遠程視頻通話、提示音、多媒體以及聲控等方面的需要。
電源可以使用外接5V適配器供電。
4.2 Linux
隨着信息技術的發展，Linux使用的場合也越來越多。
Linux的源代碼公開，任何人都可以去下載不同版本的Linux源碼，並可以對源碼做任意的修改，又因為Linux是目前對於目前對POSIX支持最完備的操作系統，很多代碼可以直接在UNIX和Linux之間移植，所以Linux成為了目前世界上除了PC機領域之外使用最廣泛的操作系統之一。做為一種重要的操作系統，Linux已經被移植到約20個不同的體系結構，至少支持幾百種不同的處理器芯片。服務器領域和嵌入式領域里Linux占據着不可替代的位置。
在嵌入式領域里，無論是高端市場，還是低端市場，Linux都是作為主流甚至首選通用操作系統而存在。Linux的背后是強大的開源支持，大多數的需求都可以在這些開源支持里找到支持方案。選擇Linux還在於其操作系統的強擴展性，新的功能/新的任務可以通過進程的方式臨時運行，其鏡象只是文件系統上的一組文件，軟件升級可能只需要復制幾個文件即可。再加上Linux自帶的一些強大工具，包括shell/awk/sed等腳本解釋工具，以及其他對於網絡/文件系統/操作系統設置等方面支持的很多系統的工具，使得項目的設計可以非常靈活。
作為上層的應用來說，Linux越來越成為大型服務器的首選，而世界各大公司的支持使得Linux非常穩定。
對於智能網關，因為其功能多樣性，需要一個靈活的操作系統作其核心，再者智能家居所提的服務可擴展性的，任何時候都可以加入一個新的設備/新的服務到智能家居系統之中，智能網關在家庭智能家居中充當服務器以及在小區網絡中承上啟下的角色，使用Linux是適合的。
而其他廣泛應用的通用嵌入式操作系統，Andorid主要用於手機這樣的終端手持設備，而winCE則要有版權費用，並且開放的資源不如Linux這么多。
4.3 人機交互界面
智能網關需要提供人機交互界面，讓使用者可以控制整個系統。對於一個成熟的家用產品，面向一般客戶群體，美觀、易用是設計人機界面的時候需要慎重考慮的。
人機界面主要包含LCD屏幕顯示控制和網絡遠程訪問。
LCD屏幕顯示控制屬於圖形界面。Linux下對於圖形界面的支持比較常用的是X架構，但X架構比較龐大，結構比較復雜，資源開銷大，不適合嵌入式的開發。一般對於嵌入式的圖形界面開發，可以采用挪威TrollTech 公司出品的QT庫來進行開發，這是一個跨平台的圖形界面庫，支持很多種不同的平台。同時需要考慮多媒體的支持，以滿足用戶娛樂方面的需要。
遠程訪問可以采用web方式，而現在，無論PC機/手機/PAD/掌上電腦等，都帶有訪問web服務用的瀏覽器。這樣遠程控制的時候無需自定義應用層協議，更無需為不同的設備編寫不同的客戶端軟件，只要設備中有瀏覽器並可以接入網絡，就可以遠程訪問智能網關提供的服務，使用很方便。Linux下有各種不同的web服務器可以選擇，包括Apache、Boa、Lighttpd等，Apache功能強大，但一般用來做大型網站，Boa是單線程服務器，很輕型，相對Apache來說更適合作為智能網關的web服務器。內部配置等可以用小型數據庫sqlite3，更加適合嵌入式環境。
4.4 下層通信程序
軟件設計的時候可以采用人機交互與具體功能實現邏輯分開。具體功能實現與人機交互程序之間采用進程間通信（IPC）來交互。這樣結構比較清晰，架構容易擴展。
智能網關的軟件關系如下：
圖3 智能網關軟件結構
Fig.3 the structure of intelligent gateway software
4.5 語音識別
人類自然語言是天然的人機交互手段，使用語言作為交互接口可以使得人機交互更加方便/人性化。
語音識別從屬模式識別，采用信號處理手段實現，一般采用提取高頻信號作為語音的特征，然后再進行模糊匹配，得到各個音節等，然后再進行語法分析/文字匹配來取得最終的意思。
目前語音識別技術發展很迅速，技術已經十分成熟，世面上早已存在多款應用於手機的語音識別程序。可以考慮把語音識別系統加入到智能網關中，方便使用。
5 小區網絡
小區網絡的作用是為了用戶可以真正意義上通過Interner實現遠程訪問。
小區架構開篇的時候已經提到，在這里，小區內所有家庭的智能家居都作為一個節點接入到小區網絡，這個小區網絡構成一個局域網，每個智能家居都在這個局域網中有一個唯一的IP地址，而小區網關則作為一個連接外部Internet和內部。
考慮到Internet訪問，對於之前提到的智能網關的設計里提到智能網關采用web界面,當通過小區網關連上Internet網絡,一樣可以采用web界面。智能網關在這里為每個家庭智能家居的IP地址配備一個賬號和密碼，當用戶輸入相應的帳號和密碼之后，智能網關可以使用http代理服務器把web服務轉接到相應的智能家居上。
小區網關同時也可以與物業綁定在一起，對內支持小區的各種服務，包括電影、電視劇的播放，小區的建設規划提醒，各種費用的電子賬單，以及提供購物、送貨等服務。
另外，對於通信服務，小區網關也可以為小區之內的用戶乃至Internet上互相之間視頻電話建立橋梁。
6 系統標准化
智能家居目前在國際上尚未達成一致共識，不存在任何標准性的規定，不同的公司有自己設計智能家居的思路與實現。換句話說，目前還尚處於智能家居概念形成的時間。
概念形成的過程有其好處，可以逐漸淘汰掉一些對於用戶實際需求關系不密切的功能，越到以后，越會貼近用戶的實際使用需要。時機成熟的時候，可以制定這一行業的系統標准化。
標准化可以包含如下的幾點：
智能家居的概念意義:定義智能家居所涵蓋的范圍,對於家居生活的實際意義所在。
智能家居實現的系統拓撲架構:制定智能家居用於Internet所使用的系統拓撲，制定拓撲結構中每一層的意義。
智能家居所使用的通信方式：制定包括各個拓撲層次之間的通信方式，包括物理層/鏈路層/網絡層。
智能家居通信中所使用的應用層通信協議：制定包括智能家居內部節點與網關之間的應用通信協議。
智能家居所提供的系統配置擴展性要求：制定可以靈活的添加智能家居配置的文件以及添加方式等擴展接口定義。
而包括硬件參數、設備外形、所使用操作系統等則無需做規定，但可以在標准中建議。這樣有助於系統實現的靈活性，因為集成電路技術的不斷進步，嵌入式操作系統的多樣化，如果標准中規定的太死對於智能家居發展不利。
定義標准的好處在於對於所有的智能家居廠商有個行為標准，從而可以使得不同的智能家居產品之間接口兼容，可以靈活替換，在這樣的基礎之上，智能家居這個大市場可以有更多的選擇余地。理想下，小區在智能家居市場中選擇智能家居產品可以如同像在電子市場選擇不同的器件那樣自由靈活，選構系統中的不同廠商的不同配件就可以配套成一個完整的智能家居解決方案。
其中系統配置擴展性的標准化也可以應用於家電廠商，如果家電廠商需要把某個新產品加入到智能家居中應用，也可以按照標准擴展接口定義為該新產品定制一個。自然，對於實現擴展，智能網關需要自帶一個擴展接口的解釋器，支持動態加載新的家居配置到系統服務中。
7 其 他
智能家居是為了提供給使用者舒適方便的家居服務，易用性、智能化是其核心意義所在。智能家居在系統的實現之后，可以再考慮整合不同的服務，引入人工智能，根據使用者的習慣而自動選擇家居服務，更加方便的滿足使用者的需要。神經元網絡是目前比較成熟的人工智能模型，可以以此為基礎發展出合適的人工智能實現手段。
8 結 論
智能家居系統采用小區網關、智能網關、應用節點三層架構是合理的。小區網關提供Internet接入，可以使用PC機、手機、PAD的各種設備從Internet上接入到智能網關提供的web服務。智能網關和節點之間采用WIFI、Zigbee通信，從而可以控制到各個節電，滿足家居的要求。在智能家居發展了一段歷程之后，為智能網關制定行業標准可以使得此行業更加規范化，並可以靈活的加入任意廠家的家電、通信設備、家居設備到智能家居系統中來。