物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居控制系統(tǒng)中的應用

引 言

科學技術(shù)的發(fā)展推動了人類社會的不斷進步，以智能手機為代表的各種智能產(chǎn)品應運而生，智能家居的概念也逐漸走入人們的生活。所謂智能家居，就是利用計算機技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、綜合布線技術(shù)及網(wǎng)絡通訊等技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)（如信息家電、安防等）有機地結(jié)合在一起，充分體現(xiàn)“以人為本”，其本質(zhì)上是物聯(lián)網(wǎng)的平民化體驗。

目前，我國的物聯(lián)網(wǎng)體系已初具雛形。與國外相比，我國物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)支持能力并無過分懸殊，但在傳感器、RFID 等感知端制造產(chǎn)業(yè)和高端軟件、集成服務等方面仍差距較大。雖然當下我國的儀器儀表、嵌入式系統(tǒng)和軟件集成與服務等產(chǎn)業(yè)已有較大規(guī)模，但真正與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的服務與設(shè)備才剛剛起步[1]。物聯(lián)網(wǎng)還有著很大的發(fā)展空間。

當前，經(jīng)濟的全球化與社會的信息化已成為時代發(fā)展的潮流。隨著智能化便攜式移動設(shè)備（主要是智能手機）的普及以其性能的提高，便攜式智能移動設(shè)備（智能手機）成為智能家居系統(tǒng)的控制端越來越具有說服力。

針對上述觀點，當下，市面上已不乏手機萬能遙控器產(chǎn)品的出現(xiàn)，手機萬能遙控器是讓手機轉(zhuǎn)變成各種家用紅外電器的遙控器。其原理均是運用相關(guān)軟件，通過手機直接或間接發(fā)射紅外線來實現(xiàn)。除了部分型號（三星 GALAXY 以及諾基亞等）具有紅外功能外，大部分手機需外接設(shè)備來完成該功能的實現(xiàn)。外設(shè)產(chǎn)品目前主要有三種 ：①藍牙轉(zhuǎn)紅外手機遙控器 ；②耳機接口轉(zhuǎn)紅外發(fā)射器 ；③ USB 接口（OTG）轉(zhuǎn)紅外發(fā)射器。這三種產(chǎn)品目前已有一定市場，但不難發(fā)現(xiàn)，它們都有缺點：即為了實現(xiàn)紅外功能，必須舍棄手機原有的某項功能，比如通過藍牙進行文件與信息傳輸、耳機的插入與使用、通過USB 接口的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/span>

鑒于需要外接來實現(xiàn)紅外功能的缺點，我們把原有軟件、外設(shè)產(chǎn)品與原手機作為一個整體，并將其作為一個中間轉(zhuǎn)換器，即通過另一臺移動設(shè)備并應用相關(guān)軟件來對其進行控制， 這樣，在實現(xiàn)萬能遙控的同時，也很好地保護了原移動設(shè)備的基礎(chǔ)功能。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

支撐物聯(lián)網(wǎng)的四大技術(shù)包括 ：兩化融合、RFID、M2M、傳感網(wǎng)（ZigBee/WiFi）。但根本項研究密切相關(guān)的是后兩者。

1.1 M2M技術(shù)

M2M 是一種用于設(shè)備與設(shè)備之間傳遞與交換信息的技術(shù)，是在實現(xiàn)智能家居過程中的基礎(chǔ)技術(shù)。與傳統(tǒng)的家庭網(wǎng)絡相比，M2M 以其自組織、高可靠性、可擴展性強、覆蓋范圍廣、成本低并且組網(wǎng)靈活等優(yōu)點，形成一種配置方便、速率較高的家庭局域網(wǎng)絡，并且逐漸成為無線通訊領(lǐng)域發(fā)展的新方向，主要在不同設(shè)備之間的網(wǎng)絡互聯(lián)中發(fā)揮作用，從而增強系統(tǒng)的功能，最終實現(xiàn)對家居設(shè)備的智能控制。

早在MWC 2012 開展前，就曾有人做過預測，機器與機器之間的通信將成為最大的看點。而在之前的美國CES上， 智能手機在家庭網(wǎng)絡中的應用成為了最重要的主題。M2M 對于傳統(tǒng)運營服務商來說，同樣是一個新興的行業(yè)。MWC 的主辦方 GSMA 曾經(jīng)聲稱僅僅對于移動運營商來講，在 2020 年這一領(lǐng)域的市場將達到 1.2 萬億美元 [2]。無獨有偶，今年的MWC2015上，智能家居精彩的亮相，讓我們對其未來的發(fā)展充滿信心。

1.2 ZigBee技術(shù)

ZigBee 是基于IEEE802.15.4 標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議， 是一種新興的近距離、雙向的無線通訊技術(shù)，是一種介于藍牙和無線標記技術(shù)之間的技術(shù)提案。主要應用于近距離的無線連接。其主要優(yōu)點有：

(1) 低功耗。這是 ZigBee的主要優(yōu)勢。在低耗電待機狀態(tài)下，1節(jié) 5號干電池可以支持 1個節(jié)點工作 3～12個月，甚至更長；

(2) 低成本。ZigBee免協(xié)議專利費，且每塊芯片造價僅約 2美元；

(3) 低速率。ZigBee工作速率在 20～250kb/s， 分別提供 250kb/s（2.4GHz）、40kb/s（915MHz）和 20kb/s（868 MHz）的原始數(shù)據(jù)吞吐率，可滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的要求；

(4) 短延時。ZigBee響應速度快，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡僅需 30 ms，同時也節(jié)省了電損耗；

(5) 高容量。ZigBee可有星狀、片狀、網(wǎng)狀等多種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，最多可組成 65 000 個節(jié)點的大網(wǎng)，具有超高的網(wǎng)絡容量。

智能家居系統(tǒng)的調(diào)控信號數(shù)據(jù)量相對較小，傳輸速率要求不高，低成本、短延時的ZigBee 技術(shù)在智能家居系統(tǒng)的應用中體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

2 總體設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

萬能遙控器是智能家居系統(tǒng)中的重要組成部分。市面上目前已有手機萬能遙控器的相關(guān)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品主要是運用相關(guān)硬件與手機的USB 接口、藍牙或者耳機接口相連，再通過配套軟件來實現(xiàn)紅外發(fā)射功能。這樣，盡管可以達到遙控目的， 但勢必會造成手機原有功能（即耳機接入、藍牙或者 USB 數(shù)據(jù)傳輸）暫時被擱置，我們以此為突破點，將原有手機、軟件與外接設(shè)備做成一個整體，通過另一臺移動設(shè)備經(jīng)特定軟件與該手機相溝通，通過控制該“中介手機”來實現(xiàn)萬能遙控的目的。圖 1 所示是本設(shè)計的設(shè)計思路圖。

2.2 硬件部分

為了實現(xiàn)用手機萬能遙控，需要在現(xiàn)有的無紅外功能的智能手機以外添加一個硬件模塊，從而達到通過發(fā)射紅外線控制電器的目的。

通常，智能手機可進行信息輸出的接口是USB 接口和耳機接口。但是，不同品牌與型號的手機，其 USB 接口的型號與形狀都不盡相同，典型的如iPhone 的USB 接口——扁長條形的 30-pin 接口，而Samsung 手機的USB 接口則比普通Android 手機短。因此USB 接口若作為外接紅外設(shè)備的連接口， 則需要多種型號，通用性低，制作難度加大。

相反，耳機接口對于絕大多數(shù)智能手機來說，口徑基本一致。若采用耳機接口作為硬件設(shè)備連接點輸出控制信號，那么，適應性或通用性比USB 接口好得多。經(jīng)比較，本課題采用耳機接口作為控制紅外信號發(fā)射的硬件部分的連接口。

該硬件部分的輸入端直接連在智能手機的耳機接口處， 它的功能是將該接口處輸出的含有高低電壓信息的信號轉(zhuǎn)化為符合一定編碼規(guī)律和標準的紅外遙控信號。

本課題會將上述硬件與手機看成一個整體，作為紅外信號發(fā)射的中介，而另一臺移動設(shè)備通過相應軟件對該中介進行控制。

該設(shè)計優(yōu)點是保留了原移動設(shè)備的完整功能，缺點是同時也增加了成本。圖 2 所示是其硬件設(shè)計框圖。

2.3 軟件部分

2.3.1 中介平臺部分軟件

該軟件部分通過使用智能手機 Android操作系統(tǒng)作為平臺，在此基礎(chǔ)上編寫相應軟件，從而操縱紅外線的發(fā)射模塊。該軟件部分所實現(xiàn)的功能如下：

(1) 遙控器面板的選擇和繪制 ；

(2) 音頻電壓信號從耳機接口的輸出；

(3) 遙控器面板上的按鍵觸發(fā)后有其對應的音頻輸出信號，該信號應與要發(fā)出的紅外遙控信號相匹配。

2.3.2 移動設(shè)備部分軟件

該軟件部分使用智能手機iOS/Android系統(tǒng)作為平臺，在此基礎(chǔ)上編寫相應軟件，從而操控中介手機來實現(xiàn)紅外發(fā)射， 達到萬能遙控的目的。本移動設(shè)備的運行實現(xiàn)設(shè)計如圖3所示， 其軟件部分所實現(xiàn)的功能如下：

(1) 遙控器面板的選擇和繪制 ；

(2) 移動設(shè)備與中介手機畫面同步；

(3) 移動設(shè)備上的操作可同步化控制中介手機，從而實現(xiàn)萬能遙控；

i(4) OS系統(tǒng)與Android系統(tǒng)軟件的相互溝通。

3 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)是當今科技發(fā)展的主流趨勢，是當今世界經(jīng)濟和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點之一，據(jù)估計，2016 年的總產(chǎn)值將超過一萬億元。

本課題是在原有手機萬能遙控器外接產(chǎn)品的基礎(chǔ)上的再 研究與創(chuàng)新，雖增加了設(shè)計成本與軟件設(shè)計的復雜度，但同時 也給用戶的使用提供了便捷，相對完整的保留了移動設(shè)備原有 功能，提高了技術(shù)含量，可增加市場競爭力，升級了智能家居 的用戶體驗，適應了今后物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需要，具有很大的發(fā)展 空間。