智能家居物联网系统

家庭物联网智能控制系统研究

摘要：基于物联网技术的智能家居控制系统主要由家庭物联网、家庭无线局

域网和外网组成。选用ZigBee无线通信技术来完成各个智能家居终端与ZigBee

网络协调器的数据通信，选用Wi-Fi无线通信技术完成智能家居底层网络与服务

器间的数据传输工作。智能终端的构建技术采用IMS终端，极大程度上发挥家居

设备的硬件配置。基于安卓系统下，通过手机APP应用，在现今家居环境下实现

对家居设备移动互联互通的智能化控制，将与居家生活有关的各种设备有机地结

合在一起，实现网络化的综合管理。

关键字：家庭物联网、ZigBee、IMS终端、智能控制

0引言

针对物联网的定义，目前业界普遍认同的说法是“物联网是通过射频识别

（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等各种信息传感设备，

按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能

化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络”。对此概念做个简单的解读，就

是连通现实世界中的各种物件，实现互相通讯的物物相连的互联网。首先，物联

网是基于互联网进行延伸和扩展的一种网络，其核心和基础仍然是互联网；其次，

物联网的用户端从互联网的人与人交互，延伸和扩展到了物与物之间的信息交换

和通信。

家庭物联网系统是结合了物联网的技术特点与家庭应用的特定需求，为家庭

打造一个物物相联的网络平台。与传统智能家居系统相比，家庭物联网系统会提

供更加丰富的内容和更人性化的服务，智能家居系统将普通家居被动静止结构转

变为具有能动智能的工具，强调人的主观能动性，侧重于人对物的控制。家庭物

联网系统除了需要联通互联网、手机网络之外，更侧重于家庭无线传感网络的连

接以及设备自动发现技术，实现家庭环境中物与物、物与人之间的互联互通，给

人们带来更舒适便捷的生活服务。

目前，智能家居领域通信技术采用有线组网、无线组网、有线和无线融合的

组网形式。采用有线通信方式具有高可靠性，然而设备安装时需要在地面、墙面

开线槽布置线路，不仅费时费力，而且墙外的信号传输线也有碍美观，需要专业

施工人员进行安装，造成较长的施工周期、成本也相对提高。家居内增添新的家

用智能设备时，需重新凿墙布线，在系统升级、维修时，无形中增加了难度。直

到物联网技术融入智能家居，使智能家居的短距离无线通信技术呈现出显著优势，

它不再需要布置纷繁复杂的线路，具有可自行组合安装、自动组网、功耗低的优

点。

1、研究现状

智能家居在国内的发展已经历了十几年头，从1999年最初的概念提出，到

如今真正地走入百姓生活，期间经历了萌芽期、开创期、徘徊期，到现在的融合

演变期。由于受环境因素、技术因素、消费者居住习惯的制约，业内还没有特别

成功案例。但是在国家政策支持下，并伴随着物联网、人工智能、大数据的提出

与实现，人们开始意识到智能家居市场会愈加繁荣，相继研究开发智能家居产品，

从而使我国的智能家居产业进入全新的时代。目前国内市场中，智能家居系统还

存在很多问题，其中有以下几点：第一，自身要求不明确，产品不够稳定，误报

警和误动作较多；第二，操作平台不够人性化和便利化；第三，智能产品购买需

要专业人士的陪同，无法从消费者角度去认识和了解家居产品。而且由于各企业

割据严重，智能家居的发展一直踌躇不前，消费者便利化和真正智能化的需求得

不到满足。第四，产品后端供应链中的售后服务相对落后。这些问题都是导致现

今社会智能化家居无法普及和提升的重要原因。

在国外，自从1984年世界上第一幢智能建筑在美国出现后，美国、加拿大、

欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。

智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。1998年5月新加坡举

办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过现场模拟“未来之

家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。它的系统功能包括三表抄送功能、

安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、

电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和

系统软件配置等。目前在新加坡也有近30个社区的住宅小区近5000户的家庭采

用了“家庭智能化系统”，美国已有近四万户家庭安装了这一类的“家庭智能化

系统”。目前美国有一种占据市场主流的产品X-10，销售已超过1亿个，设计户

型为单体别墅，应用多为旧房改造，仅在美国便有超过400万个家庭在使用。但

该些产品技术限制较多，并不适合在我国原样照搬使用。美国、西班牙、意大利

等发达国家的产品，大部分通过了国际质量认证检测，在国际市场上占据明显的

优势，世界首富比尔盖茨的“未来之屋”充分证明了智能化生活已经步入高收入

阶层家居生活，实现智能生活高标准和需求。三星开始在中、韩两国同时推出其

智能家居系统，通过机顶盒和网络，将家居自动化控制、信息家电、安防设备及

娱乐和信息中心这四部分集成一个全面的、面向宽带互联网的家居控制网络。

2、ZigBee技术特点

智能家居以一体化、移动化、云端化为发展方向，无线通信技术可完成智能

设备与家庭网络自行连接，是实现智能家居系统的核心部分。具体到智能家居无

线技术的使用上，常用到的无线组网技术包括Z-Wave、Wi-Fi技术、Bluetooth

技术、ZigBee技术等。

ZigBee技术特点如下：

（1）低功耗

这是ZigBee的一个显著特点。ZigBee协议实现芯片的工作周期短、接收和

发信息功耗较低以及结合软件编程采用的休眠工作机制，使得系统中一个终端节

点仅仅依靠两节普通的五号干电池供给能量就可以长时间工作。

（2）低成本

ZigBee协议简单，软件实现所需的存储空间小：8位处理器、4KBROM以及

64KBROM就可以满足节点开发。另外，ZigBee协议免专利费这极大降低了的成本。

（3）时延短

ZigBee协议特别地对时延敏感的相关应用实现作了一些优化。实现了通信时

延和从休眠状态激活的时延都变得相对较短：完成设备搜索的时延短至30ms，实

现休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延变为15ms。

（4）网络容量大

ZigBee网络可支持多达65000个节点。

（5）传输范围小、数据传输速率低

如果不使用功率放大器，一般ZigBee节点的有效传输距离范围一般为10-

75m。ZigBee在不同的频段有不同的数据传输速率：2.4GHz频段为250kb/s，

915MHz频段为40kb/s，868MHz频段只有20kb/s。

（6）数据传输安全、可靠

采用了碰撞避免机制，也为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免

了发送数据时的竞争和冲突。层采用完全确认的数据传输机制，每个发送的数据

包都必须等待接收方的确认信息，保证了节点之间传输信息的高可靠性。

（7）高保密性

64位出厂编号和支持AES-128加密。

针对智能家居组网需求，这几种常用的组网技术工作频率都满足2.4GHz标

准，ZigBee技术具有设备省电、通信可靠高、网络的自组织性强、自愈功能强、

成本低廉、网络容量大等特点及优势，具体到安全方面，ZigBee所使用128K的

高级加密技术，拥有特有的安全层。组网方面，因Wi-Fi、Bluetooth等适用于

简单的星型网络，限制了组网能力，ZigBee除星型网络外可适用于复杂的网络

拓扑结构中，组网能力更强。可靠性方面，ZigBee因同时采用跳频及扩频技术，

使其具备超强的抗干扰能力。基于上述原因，ZigBee无线通信网络技术是智能家

居内部组网技术的首选，充分满足了家居无线传感器网络通信的使用需求，保证

了系统长期的稳定运行。智能家居采集的数据需上传至外部服务器，考虑到Wi-

Fi技术的使用在每家每户具有普及性，采用Wi-Fi技术将数据传输至Internet

到达上层服务器端，为数据上传提供了良好的传输通道。

所以，智能家居控制系统设计采用ZigBee技术作为家庭内部组网通信使用，

采用Wi-Fi技术实现家庭内部数据传输与外部服务器的通信连接。

3、IMS控制终端

IMS是IP多媒体子系统（IPMultimediaSubsystem）英文缩写，IMS是

3GR5（R，即Release，表示版本）标准之后新增加的一个核心网子系统。所谓

3G是以频分多址和模拟调制为特点的第一代通信系统，以分时多址（TDMA）、码

分多址（CDMA）和数字调制的第二代移动通信系统之后，为克服第二代移动通信

系统因为技术局限而无法提供宽带移动通信业务而提出的第三代移动通信系统。

第三代通信技术发展到现今IMT-2000，最早由国际电信联盟于1985年提出，

为适应商务控制系统应用规范，满足商务化通信需求，工作的频段规定在

2000MHZ。IMS特点有下面几点：（1）IMS是以IP为基础；（2）IMS同多媒体相

关的技术系统；（3）IMS是成为智能家居控制系统中一部分组成。

IMS是可以实现家居设备视频、图像和语音等功能，逋过分组交互技术把相

关信息数据上传到网络核心系统中，IMS只是3G核心网的一部分子系统技术，因

此它并不包含接入部分，用户端或业务端接入方式并不通过IMS决定；同时这个

系统必须依赖于底层的承载网络通信技术而存在，无论是其自身控制机制的实现

还是其所提供业务的数据传递都不够离开底层的PS域。

IMS关键核心技术以及特点列举如下：

（1）IMS利用SIP（会话初始化协议）作为IMS业务系统的呼叫控制协议，

并通SIP进行业务管理和业务扩展。

（2）IMS主要是利用IPV6网络协议，几乎所有移动终端都将采用IPV6技术。

（3）IMS支持用户通过移动和漫游的方式来对业务实现归属地的通信方式，

在IMS开通漫游模式时，其用户业务通过IMS用户归属网络完成系统通信。

（4）IMS具有接入具有相对独立的特性和自主性，IMS被下层网络相关独立

连接。

（5）IMS可以与SIP会话和IP媒体之间会话，主要是通过接口绑定方式，

这种绑定主要是为了Qos保障和计费的目的。

IMS智能终端可以为用户提供的主要服务如下：

（1）通信服务

IMS智能终端提供基于号码的语音和高清视频通信能力，从而为用户提供高

效的、灵活多样的通讯和交流手段。

（2）信息服务

IMS智能终端向用户提供信息定制与推送、网页浏览、流媒体等信息服务能

力，从而使用户无需电脑即可享用互联网。

（3）视频播放

IMS智能终端在用户呼叫和通话过程中，如果用户不启用视频通信功能，则

可向其播放视频广告，丰富用户的空闲时间。

（4）可视对讲

IMS智能终端同时可作为用户家中的可视对讲分机，实现与访客的通话，无

需移步到住所大门处，极大地方便了用户的使用。

（5）通信录和通话记录

IMS智能家居控制系统提供语音通话记录保存和通信录存储功能，方便用户

实时监测通话记录和联系人查找，为用户节省大量时间。

（6）系统设置功能

IMS智能控制终端系统提供了系统设置，其中包括应用程序设置和系统自身

设置，有桌面、游戏、软件和相关显示界面设置。根据用户自身喜好，更加人性

化满足智能家居控制系统要求。

（7）系统安全保护功能

4、系统设计方案

家庭物联网智能控制系统设计的关键问题在于家庭控制网关组网的设计，在

组网设计中，不局限于使用一种无线通信技术，而是将ZigBee无线通信技术和

Wi-Fi无线通信技术结合使用。采用ZigBee技术作为家庭内部组网通信使用，采

用Wi-Fi技术实现家庭内部数据传输与外部服务器的通信连接。并且控制终端采

用IMS技术，充分发挥基于IMS业务系统功能，在终端上已经有的“”（智能家

居）应用软件平台上，增加“家电控制”的功能模块，家电控制的界面风格要与

之前的保持一致，在此基础上实现操作简单、易于被用户接收且能配合本文所设

计的系统家庭网关对在家庭控制子网中的家电设备进行控制的“家电控制”模块。

为智能家居控制系统提供了完善的控制界面和反馈界面，很好实现人和家居设备

之间的无线互动效果，完成了基本智能家居业务控制功能。具体设计如下：

（1）系统通信网络设计。选用ZigBee无线通信技术来完成各个智能家居终

端与ZigBee网络协调器的数据通信，选用Wi-Fi无线通信技术完成智能家居底

层网络与服务器间的数据传输工作。智能终端的构建技术采用IMS终端。

（2）系统硬件设计。主要包括终端设备节点、家庭网关的硬件设计。

（3）系统软件设计。采用IMS终端设计，解析IMS终端控制和家庭网关之

间的入网确认和数据交换。

技术路线图如下：

5、结语

ZigBee技术是一种新的近距离的无线通信网络技术，同时具备星状、树状和

网状三种网络形式。其组网能力很强，同时因其采用跳频及扩频技术，具备超强

的抗干扰能力。它是智能家居内部组网技术的首选，充分满足了家居无线传感器

网络通信的使用需求，保证了系统长期的稳定运行。智能控制终端是以安卓系统

为开发平台，该平台已经实现智能家居的基本应用软件，其主要目的是通过IMS

终端实现远程操作和管理家居电子设备和电器设备。

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