基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)

引言

隨著人們生活水平的提高，家居生活從過去的追求豪華 裝修發(fā)展成為追求家居的智能化。同時(shí)近二十年來移動(dòng)通信 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，促使智 能家居也從概念開始慢慢走入人們的生活。智能家居系統(tǒng)作為 一套高科技含量的家庭生活產(chǎn)品，在國內(nèi)不少城市的中高端 樓盤，得到積極的配套開發(fā)。智能家居行業(yè)在中國乃至全世界 都有廣闊的前景，是一個(gè)朝陽產(chǎn)業(yè)，就目前的發(fā)展趨勢，預(yù)計(jì) 在今后的幾年內(nèi)全世界將有近億的家庭構(gòu)建起智能、舒適、高 效的家居生活。

本系統(tǒng)綜合了以往智能家居系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，從多角度來設(shè) 計(jì)一種新的智能家居系統(tǒng)。與智能家居系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的核心目 標(biāo)不同，智能家居系統(tǒng)中的控制網(wǎng)絡(luò)需要一種速率不高，但 是對成本控制要求嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的是設(shè)備的 互聯(lián)和控制功能，不需要高速率、高實(shí)時(shí)性的通信網(wǎng)絡(luò)來支撐, 從實(shí)用的角度來考慮，控制系統(tǒng)應(yīng)是通信更為靈活、成本更低 的自組織網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)結(jié)合國際前沿最新的腦電技術(shù)，開發(fā)腦電 信號觸發(fā)管理系統(tǒng)，綜合應(yīng)用嵌入式技術(shù)、腦電波信號識別、 語音識別、RFID等技術(shù)，研究并設(shè)計(jì)一套基于物聯(lián)網(wǎng)的智能 家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)背景

1.1國內(nèi)外腦電波研究動(dòng)態(tài)

NeuroSky （神念科技）在近年申請意念耳機(jī)的技術(shù)專利 并開始發(fā)布相關(guān)產(chǎn)品，NeuroSky意念耳機(jī)利用干態(tài)電極傳感器采集大腦產(chǎn)生的生物電信號，并將采集到的訊號送入核心芯 片，該芯片是將原始腦電波信號的采集、濾波、放大、A/D轉(zhuǎn) 換、過濾環(huán)境噪音及肌肉組織運(yùn)動(dòng)的干擾、數(shù)據(jù)處理及分析 等功能完全集成到一起，并透過電腦傳出的以數(shù)字化參數(shù)方 式對人的當(dāng)前精神狀態(tài)進(jìn)行度量的算法，進(jìn)行計(jì)算后即得到 可量化的參數(shù)值。

神念科技目前已經(jīng)做了干式腦波的基準(zhǔn)測試，把干式 傳感器系統(tǒng)測量的腦波信號與Biopac系統(tǒng)發(fā)出的信號相比 較。Biopac是廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)和研究應(yīng)用程序的濕式電極腦 電系統(tǒng)。神念科技的腦電系統(tǒng)使用的是鍍金的干式電極，而 Biopac用的是一次性銀-氯化銀電極加導(dǎo)電膠。測試時(shí)將干式 傳感器與Biopac兩個(gè)系統(tǒng)的電極安裝在了同一個(gè)位置，緊緊 地靠在一起但并不互相干擾。測試兩個(gè)系統(tǒng)所記錄被測者在不 同狀態(tài)下的腦波，包括放松狀態(tài)、冥想狀態(tài)、警覺狀態(tài)以及 眨眼干擾下的狀態(tài)。測試結(jié)果顯示二者性能相近。

近年來，在輔助高齡老人和殘疾人的設(shè)備中，不依賴于 肌肉和身體動(dòng)作或者聲音指令，而僅僅采用腦信號和外部世界 相互作用的腦機(jī)接口 （Brain Machine Interface，BMI）技術(shù) 受到高度關(guān)注。本文采用日本理研BSI —豐田協(xié)作中心（BSI- TOYOTA Collaboration Center，BTCC）開發(fā)的 125 ms 響應(yīng) 電動(dòng)輪椅控制系統(tǒng)。

1.2當(dāng)前我國智能家居發(fā)展現(xiàn)狀

物聯(lián)網(wǎng)智能家居作為一個(gè)方興未艾的藍(lán)海市場，受到越 來越多的房地產(chǎn)開發(fā)商、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商、設(shè)備制造商和電信運(yùn)營 商的關(guān)注。房地產(chǎn)開發(fā)商把“全智能”作為二十一世紀(jì)房地產(chǎn) 開發(fā)的主題，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商推出家庭網(wǎng)絡(luò)共享，設(shè)備制造商推出 各種智能家居設(shè)備，中國移動(dòng)推出“宜居通”，中國電信推出“我 的e家”打造5A數(shù)字家庭，但智能家居發(fā)展中還存在許多問 題叫

首先，在智能家居的推廣宣傳上讓人們想到的可能就是 高端、奢侈、別墅等字眼，但購買奢侈品、住豪華別墅的畢 竟是少數(shù)，因此對于智能家居的宣傳推廣應(yīng)不單單是向人們描 述智能家居能實(shí)現(xiàn)哪些美好的場景，更應(yīng)從消費(fèi)觀念上引導(dǎo) 消費(fèi)者，帶動(dòng)和培養(yǎng)處于財(cái)富金字塔中層人群對智能家居的 消費(fèi)。智能家居市場還在逐步發(fā)展的階段，在體驗(yàn)式營銷中應(yīng) 建立更多的適合大眾消費(fèi)的體驗(yàn)中心，逐步擴(kuò)大智能家居產(chǎn)業(yè) 的消費(fèi)群體叫

其次，缺乏規(guī)范的、統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)有 待突破，應(yīng)用模式有待創(chuàng)新，產(chǎn)品穩(wěn)定性可靠性還有待進(jìn)一 步提高。

最后，就是目前市場上的智能家居產(chǎn)品是需要專業(yè)的技 術(shù)人員到現(xiàn)場安裝調(diào)試才能夠使用，這樣就會增加一定的服 務(wù)費(fèi)用。

縱觀現(xiàn)今市場現(xiàn)有的成熟智能家居產(chǎn)品，普遍價(jià)格昂貴, 系統(tǒng)二次升級開發(fā)難度極高回，功能普遍局限在智能電器控 制上，并且操作較為困難，市場用戶群體無法顧及老人、小孩 以及殘障人士。開發(fā)一套功能完備，具有開發(fā)潛力，能兼顧更 多人群的智能家居產(chǎn)品已是當(dāng)務(wù)之急。

2智能家居系統(tǒng)總體構(gòu)架

本系統(tǒng)主要分為電氣控制、家居安防和影音娛樂三個(gè)主 要模塊，其中電氣控制又分為智能照明系統(tǒng)、智能風(fēng)扇系統(tǒng)、 語音控制系統(tǒng)。家居安防由遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控以及指紋識別構(gòu)成, 整體如圖1所示。

3系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

用戶訪問系統(tǒng)均通過VPN網(wǎng)絡(luò)訪問，網(wǎng)內(nèi)模塊之間采用 串口通信、Socket通信、RFID組網(wǎng)通信等方式進(jìn)行信息的交流。 其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在這套系統(tǒng)中RFID肩負(fù)著主控中心與電器控制單元的 交流任務(wù)。其中，發(fā)送端RFID模塊在接收到主控中心的控制 信息后及時(shí)將控制命令以2.4 GHz射頻信號發(fā)送出去，接收端 RFID從系統(tǒng)啟動(dòng)開始，便處于隨時(shí)監(jiān)聽狀態(tài)，當(dāng)監(jiān)聽到發(fā)送 端發(fā)來的控制信號后，即時(shí)轉(zhuǎn)化為電器控制單元命令信號，并 以串口通信的形式，將命令發(fā)送給控制單元，從而實(shí)現(xiàn)整套系 統(tǒng)的無延遲工作。其次，因?yàn)镽FID的遠(yuǎn)距離通信效果比較 好，所以擺脫了從主控中心到家用電氣之間的布線問題，從 經(jīng)濟(jì)角度提供了良好的解決方案，并且日后如需擴(kuò)展家用電器 控制單元，只需要從主控中心添加相應(yīng)的規(guī)則，并且從控制單 元接入相應(yīng)的家電設(shè)備即可。

圖2系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D

4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1系統(tǒng)主控中心的硬件結(jié)構(gòu)

在本系統(tǒng)中，主控中心為控制整套系統(tǒng)的靈魂所在，一方 面負(fù)責(zé)提供給用戶界面來及時(shí)的獲得用戶所需的要求；另一方 面在接收到用戶的請求以后也要及時(shí)的對用戶請求進(jìn)行處理, 并將相應(yīng)命令轉(zhuǎn)發(fā)給下面的模塊進(jìn)行二次處理。因?yàn)轭櫦暗?處理的效率速度等多方面原因所以考慮采用可以高效處理多 線程與數(shù)字信號的高性能處理器S3C6410［8］。其硬件結(jié)構(gòu)如 圖3所示。

圖3硬件結(jié)構(gòu)圖

考慮到多路繼電器的復(fù)用性以及接收端RFID的可控性, 以及高穩(wěn)定性要求，選取AT89C52作為電器控制模塊的主控 -H- LL.心片。

視頻監(jiān)控的方法是通過訪問BOA服務(wù)器方式開啟，當(dāng) 開啟后，用戶可以通過刷新頁面的方式及時(shí)的獲得攝像頭所 采集到的圖像信息，并且用戶可以通過BOA服務(wù)器關(guān)閉監(jiān)控 功能。監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)原理是：當(dāng)用戶啟動(dòng)監(jiān)控以后，系統(tǒng)運(yùn) 行加載攝像頭驅(qū)動(dòng)，將采集到的圖像信息編碼為16位（單一像素點(diǎn))信息，其中RGB各占5位，6 位, 5位，通過獲取 到圖像編碼后的數(shù)據(jù)，在服務(wù)器中生成test.bmp格式的圖像 文件(每1 s重復(fù)覆蓋生成一次)，之所以采用BMP文件格式, 是因BMP文件構(gòu)成簡單、無壓縮，除圖像數(shù)據(jù)外，文件頭信 息較容易編寫。在服務(wù)器提供的HTML頁面里，將直接獲取 服務(wù)器文件下的test.bmp文件，供用戶瀏覽。

4.2硬件組成及其系統(tǒng)構(gòu)架

本系統(tǒng)選用了 S3C6410作為主控中心核心板處理器，核 心板底連接了一個(gè)RFID射頻收發(fā)器，利用2.4 GHz頻段進(jìn)行 控制命令的轉(zhuǎn)發(fā)工作，以及OV9650攝像頭模塊，指紋識別 模塊，語音模塊分別用于采集視頻信號，驗(yàn)證用戶身份以及 提供本地用戶更為方便的語音控制模式。電器控制電路五路 繼電器模塊組，繼電器模塊組由51單片機(jī)作為控制芯片，串 口 RXD，TXD連接另一個(gè)RFID接收模塊組，51芯片工作內(nèi) 容為操控RFID接收端接收RFID發(fā)射端發(fā)射的指令，完成繼 電器模塊組的操控。另外本系統(tǒng)用無線路由器，作為網(wǎng)絡(luò)傳 輸?shù)耐ǖ朗褂?。詳?xì)的組網(wǎng)關(guān)系圖如圖4所示。

本系統(tǒng)用到的硬件模塊分別有基于S3C6410為核心的 ARM11核心板一塊，RFID模塊兩個(gè)，電氣設(shè)備控制模塊一 個(gè)，演示用電器設(shè)備一套與手持設(shè)備一個(gè)，腦電波采集器一個(gè), 無線路由器一個(gè)，攝像頭模塊一個(gè)，語音識別模塊一個(gè)，指 紋識別模塊一個(gè)。

5系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的主要功能有以下幾點(diǎn)：

主控中心運(yùn)行后加載Linux系統(tǒng)，并完成QT4用戶 交流界面的初始化。

開啟BOA Web服務(wù)器，允許外部網(wǎng)絡(luò)用戶通過無線 路由器Wi-Fi接入服務(wù)器并返回HTML頁面。

用戶在瀏覽器登陸成功后(支持HTML協(xié)議瀏覽器 的各種平臺)，服務(wù)器返回相應(yīng)的控制界面，供用戶控制相應(yīng) 的電器設(shè)備。

用戶登陸成功后也可在瀏覽器啟動(dòng)腦電波監(jiān)控裝置

(只支持Windows XP SP3或以更高版本平臺，并且安裝寫好 的相應(yīng)腦電波監(jiān)控程序，系統(tǒng)會自動(dòng)調(diào)用)。

主控中心，監(jiān)聽HTML報(bào)文，返回用戶需求網(wǎng)頁數(shù) 據(jù)以外，監(jiān)聽用戶的控制請求，若收到用戶的控制請求，調(diào)用 相應(yīng)的控制程序。

控制程序運(yùn)作流程為：調(diào)用串口驅(qū)動(dòng)程序，完成命 令數(shù)據(jù)向RFID發(fā)送端設(shè)備的過渡，并最終由RFID發(fā)出。

RFID接收端在接收到發(fā)送端傳來的數(shù)據(jù)時(shí)，以串口 的形式，發(fā)送給多路繼電器。

本系統(tǒng)軟件的整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖6所示是系統(tǒng)的主控中心控制結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)在主控中 心上搭建嵌入式Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)跨平臺訪問，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān) 控和控制用戶電器設(shè)備的目標(biāo)。采用QT4制作的界面，當(dāng)開發(fā) 板Linux啟動(dòng)后，直接調(diào)用了編譯好的QT4程序無需二次啟 動(dòng)，用戶可以通過觸摸屏直接控制在瀏覽器中的一切控制功 能，并通過對EEG設(shè)備采集到的信號進(jìn)行分析計(jì)算，完成數(shù) 據(jù)的處理分析，再將最終處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)給控制中心, 由控制中心下達(dá)最終命令來達(dá)到控制相應(yīng)用戶電器。本系統(tǒng)具 有如下特點(diǎn)：

(1)系統(tǒng)應(yīng)用了藍(lán)牙、Wi-Fi、RFID等無線技術(shù)，可以 盡可能少的布線?？刂瞥绦蛭挥贐OA服務(wù)器程序池內(nèi)，當(dāng)BOA服務(wù)器接收到用戶控制請求時(shí)，服務(wù)器便從程序池中調(diào) 用相應(yīng)的控制程序?？刂瞥绦蛟頌橥ㄟ^Linux庫函數(shù)調(diào)用串 口設(shè)備驅(qū)動(dòng)，完成將控制命令傳達(dá)給下一模塊RFID發(fā)送設(shè)備。

系統(tǒng)對于無線路由器無任何沖突限制，用戶依然可 以自由上網(wǎng)。

系統(tǒng)采用HTML協(xié)議用戶通信，對平臺的支持性極高, 經(jīng)過測試，安卓、Windows,蘋果等平臺皆可正常運(yùn)行。

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊之間采用獨(dú)立的工作機(jī) 制，單一模塊的選擇性增減，不影響整體系統(tǒng)功能的使用，為 用戶提供了多種選擇性方案，為用戶二次升級設(shè)備提供了便利。

系統(tǒng)可以從內(nèi)網(wǎng)訪問升級為公網(wǎng)訪問，當(dāng)用戶從內(nèi)網(wǎng) 升級到公網(wǎng)以后可以享受到全球無限制訪問系統(tǒng)。

系統(tǒng)采取MD5不可逆式加密驗(yàn)證方式，保證用戶 私密性與安全性。

采用友好的用戶界面，用戶無需經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，即可 立即掌握相應(yīng)的技巧。

本系統(tǒng)使用模塊化設(shè)計(jì)，用戶可根據(jù)自身需求，在功能 選取上做相應(yīng)的取舍，滿足了用戶需求及購買能力；在使用上, 無論是智能照明、智能情景或是智能安防都僅需要直接進(jìn)入 網(wǎng)絡(luò)便可控制，降低了使用門檻。另一方面，智能家居內(nèi)的各 種設(shè)備相互間可以通信，不需要用戶指揮也能根據(jù)不同的狀態(tài) 互動(dòng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，優(yōu)化人們的生活方式，有效合理地安排時(shí)間, 增強(qiáng)家居生活的安全性，甚至為各種能源支出節(jié)約資金，符合 了國家節(jié)能減排的方針。

6結(jié)語

系統(tǒng)在主控中心上搭建嵌入式Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)跨平臺訪 問，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制用戶電器設(shè)備的目標(biāo)，并通過對設(shè) 備采集到的信號進(jìn)行分析計(jì)算，完成數(shù)據(jù)的處理分析，并將 最終處理結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)給控制中心，并由控制中心下達(dá)最 終命令來達(dá)到控制相應(yīng)用戶電器的目的。經(jīng)過安裝、測試，證 明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，效果良好。本作品稍加改進(jìn)使用范圍就可以 擴(kuò)展到別墅、公寓小區(qū)、酒店等。產(chǎn)品成本低、安裝簡單、使 用方便，具有廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。未來預(yù)期可以通過租用網(wǎng) 絡(luò)營運(yùn)商的公有IP或通過VPN等技術(shù)手段達(dá)到跨地域無限 制訪問系統(tǒng)的功能。

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