智能家居示范工程中的家庭组网问题分析

引言

智能家居，或称智能住宅，在英文中常被称为Smart Home。与智能家居的含义近似的还有家庭自动化(Home Automation)、电子家居(Electronic Home)、数字家园(Digital Family)、家庭网络(Home Networking)、网络家居(Network Home)及智能家庭 / 建筑(Intelligent home/building、，在香 港和台湾等地区还有数码家庭和数码家居等称法。

物联网时代的智能家居表现为利用信息传感设备(同居住 环境中的各种物品设备松耦合或紧耦合)将与家居生活有关的 各种子系统有机地结合在一起，并与传输网络连接起来，进 行监控、管理信息交换和通讯，实现家居智能化。智能家居 系统一般包括智能家居控制管理系统、终端(家居传感器终端、 智能控制器)、家庭网络、信息中心等。

与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能， 能提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间，还应由原 来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位 的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化 人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安 全性，甚至能够节约各类能源等。

物联网大潮下的智能家居行业在中国乃至全世界都有广 阔的前景，是一个朝阳行业。就目前的发展趋势分析，预计在 今后的几年内，全世界将有近亿的家庭构建智能、舒适、高效 的家居生活。

1推动智能家居示范工程建设

随着信息化技术的不断发展和国家政策的不断导向，面对 智能家居的巨大市场，各行业中的领军企业均推出了具有各自 特色的智能家居产品。例如，霍尼韦尔、海尔、三大移动运营商、 有线运营商、国家电网等叫均在大大小小的物联网展会上出 现智能家居应用展示的身影，全方位地宣传及真实场景的演示,

使普通民众对智能家居有了非常直观的了解。但是，如果智能 家居仅仅停留在应用演示上，而没有真正深入到普通群众生活 中，不能真正为普通群众提供便利服务，就必然会丧失智能家 居所产生的初衷，也就更谈不上推动社会的发展进步。

步入2012年以来，国家及各省、市级政府都着力推动物 联网应用示范工程的建设。工信部制定的《物联网“十二五” 发展规划》中明确提出开展面向社会管理和民生服务领域的 物联网应用示范，重点支持公共安全、医疗卫生、智能家居 等领域的物联网应用示范工程。发挥物联网技术优势，提升人 民生活质量和社会公共管理水平，推动面向民生服务领域的 应用创新”叫智能家居应用示范不仅是目的，更是手段，通 过应用需求牵引，推动智能家居各项技术创新、标准研制和产 业培育。在智能家居应用示范过程中，通过创新应用模式来构 建与各类智能家居应用相适应的运营模式和市场化运作机制， 形成一批模式新颖、机制灵活的成功案例和应用模板，并逐步 向更大范围内规模化推广。

2家庭组网技术的选择

智能家居示范工程建设与智能家居应用演示有着本质的区别。应用演示主要用于展现各项夺人眼球的新应用、新产品， 展现智能家居的创新发展思路。但是，智能家居示范工程建 设却必须要求能够为普通民众提供实实在在的生活服务。家 庭组网作为智能家居中的一项核心关键技术，必然要根据应 用演示和示范工程的目标不同而产生相应的变化，进而从不同 的角度对技术进行研究和验证。

在各类展会上的智能家居应用演示中，具体组网技术的 选择只需要能确保相应的演示效果即可。而在智能家居示范 工程中，家庭组网技术需要针对如下几个方面进行研究验证 后再进行选择使用。

2.1家庭安防

智能家居要能够真正为普通民众提供生活服务，就要从 普通民众的具体需求出发，以民众的基本生活需求和感兴趣 的业务应用作为选择技术实现手段的驱动力。在智能家居的发 展过程中，运营商、家电厂商、IT企业等纷纷推出了丰富多样 的智能家居体验应用，不断拓展智能家居所涵盖的内容。

家庭安防一般由两方面内容组成：家庭安防传感节点监 控以及视频监控。其中，家庭安防传感节点包括门窗磁传感器、 水漫传感器、烟雾传感器、燃气传感器等。家庭安防传感节点 与家庭内部核心控制节点之间需要有信息的交互，由于交互信 息数据量较小，提供窄带传输即能满足要求。而视频监控则 要求传输视频流，对于数据传输速率要求较高，因而需要能 够提供宽带传输。便利生活服务则是将后端服务平台提供的 信息在家庭内部显示终端上进行展现，该项功能仅仅要求家 庭内部能够接入到外部互联网即可。

可见，从普通民众对智能家居的需求出发，要求家庭组 网能够同时满足宽带加窄带的网络传输能力。在组网技术中, 有线组网技术均能提供较高的数据传输速率；而无线组网技 术中，特别是一般设计用于设备控制、节点间通信的组网技术 （如ZigBee, Z-Wave等），通常只具备较低的数据传输速率［6］； Wi-Fi、Bluetooth4.0、UWB等技术所提供的数据传输速率一 般较高［7-8］。因此，要同时满足智能家居各项应用需求，往往 需要结合多种组网技术，单纯依靠一种组网技术是无法达到 全部目标的。

2.2家庭内部建筑结构

在智能家居应用演示中，展示厅通常都是设在同一平面 的一块相对较小的敞开区域内的，因此，对于家庭组网技术的 网络拓扑无需做太多要求。但是，智能家居示范工程是要在 实际的居民家庭中进行建设，家庭内部的建筑结构必然需要 纳入到网络系统设计的考虑范围之内。

家庭内部建筑结构根据房产开发商的设计可以有多种户 型样式，而且住户也可能根据自身需求，在家居装修时对房屋 户型结构进行一定范围内的更改。家庭内部不同房间内的节点 设备之间需要进行通信，且各个房间之间都有墙体阻隔，因此 隔墙通信对家庭组网技术也提出了一定的特别要求。

对于有线组网技术来说，若房屋尚处建造阶段或是内部 装修阶段，贝何以在墙体内布放相应线缆（电力线、同轴电缆、 以太网线等）来实现隔墙通信。而当房屋已经建造并装修完毕 后，有线组网就会存在两种方式的问题：其一，如果不考虑在 墙体内重新布放线缆，则需要通过已布放的线缆来进行信息 传输。通常在家庭内部装修时，只有电力线布放的范围最为广 泛，能够覆盖到整个家庭的各个房间角落，但是电力线组网 传输较容易受到外界环境及电器设备的影响（比如劣质电源适 配器的影响）其二，如果考虑在墙体内重新进行线缆排布, 则需要破坏已有的建造装修成果，成本较大。

可见，针对已建造装修完成的房屋，采用无线技术进 行组网较为合适。但是，无线组网技术在家庭内部会受到墙 体影响，传输信号会逐步衰减。因此，需要设计采用合理的 网络拓扑结构来保证无线信号的传输质量。在众多无线组网 技术中，ZigBee技术所设计使用的树形网络路由器节点図、 Bluetooth技术所设计使用的散列网桥节点等，均能够用来解 决家庭中隔墙传输信号的中继问题。

2.3技术发展成熟度及产业化规模

智能家居示范工程的建设就是为了能够打造智能家居产 业链，建立商业运营模式，并在以后能够进行智能家居的大 规模推广。受此建设目标的驱使，在不同于智能家居应用演示

中，可以采用最前沿的家庭组网技术，在智能家居示范工程 建设中，必须要针对家庭组网技术的发展成熟度、产业化规 模化支撑等进行评估。

以无线组网技术为例，Z-Wave从设计之初就专用于家庭 自动化领域，包括照明控制、读取仪表(水、电、气)、家用电 器控制、身份识别、门禁窗禁防盗、预警火灾等。与ZigBee相比, Z-Wave的工作频段干扰少、功耗低、设备激活时间短[6]，但是, Z-Wave最为明显的劣势就是无国际标准作为技术根基，不利于 发展推广，且芯片供应商短缺。据了解，在国内进行Z-Wave模 块开发的技术提供商屈指可数。可见，智能家居示范工程建设 并不适宜采用Z-Wave技术进行家庭内部组网。

以有线组网技术为例，G.hn家庭联网标准已经于2010 年6月正式获得ITU批准通过。G.hn的设计初衷是要解决既 有有线组网技术的问题，透过家庭内部既有的同轴电缆、电 力线和电话线，以1 Gb/s的速率传输数据，并促进周边媒体 的共存，更强调以低功耗的电源管理，来促进家庭网络中智 能型装置的应用[11]。ITU已于2011年12月发布了更完善的G.hn 标准，据业内人士预计，搭载G.hn方案的机顶盒、家用网关 等产品将于2012年上半年登场。可见，虽然G.hn家庭联网标 准能够兼容家庭内部既有的电力线、同轴电缆及电话线，可使 家中各类设备无缝互连，同时支持数据传输、高清视频、语 音服务、共享服务等所有家庭多媒体业务，但是，G.hn芯片 问世时间尚短，很多针对标准的研究还仅仅停留在技术理论 层面，市场化成本因素等还无法进行准确估计。鉴于搭载G.hn 方案的产品距离规模化应用尚有一段时日G.hn组网技术同 样并不适用于当前的智能家居示范工程建设。

2.4系统的扩展性

在各类展会的智能家居应用演示中，一旦布设好一套智 能家居系统，那么，在整个展会期间，基本不会再对该系统 进行任何升级和更新操作，而只需确保系统的稳定运行即可。

但是，在智能家居示范工程建设过程中，家庭住户的需 求通常是会发生改变的，例如家中增添了一些全新的设备或是 对原有设备提出了新的功能控制要求等。随着科学技术的飞速 发展，我们无法预计到，在半年之后、一年之后会出现具备 何种功能的日常家居设备。若要在已建设好的智能家居系统中 能够便捷地纳入这些全新的家居设备，则要求智能家居系统, 特别是家庭网络要具备良好的可扩展性。对于家庭网络的核心 控制节点而言，具备可扩展性尤为关键。原因是一旦家庭内部 新增了一类全新的家居设备，并且要求该类设备节点能够与核 心控制节点进行通信，那么就必然会产生两个方面的要求：一 是核心控制节点要进行升级更新，增加控制新设备的相应功 能；二是设备节点在经过配置后加入到已有的家庭网络中。在 上述两个方面要求中，核心控制节点升级更新的效率将会直接 对建设单位的运维成本以及家庭住户的感知体验产生影响。

通过对现有ZigBee组网产品学习研究的结果显示，新 入网设备节点所需要的配置工作量相对较小，工程实施人员 在10 min左右即可完成相应的配置工作；但是，对于核心控 制节点的升级更新，目前尚无比较好的方案，而仍需要通过主 程序升级来实现，工作量相对较大。如何保证智能家居系统 能够具备优良的可扩展性，如何使家庭住户新购置的家居设 备能够方便地加入到家庭网络中并接受控制，这些都是需要 进一步研究探讨的问题，也是智能家居应用示范工程建设过 程中所必须要考虑并解决的问题。

3结语

综上所述，在智能家居示范工程建设中，针对家庭组网 的问题，不仅要从家庭组网技术本身来进行理论分析，更要 从示范工程的实际需求与后续运营维护升级的角度来考虑。 通过选择合适的家庭组网技术进行组合，打造满足各类通信 要求的家庭网络，实现家庭内部区域的全覆盖，从而为智能家 居各项业务应用的开展提供坚实的网络通信基础。

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