基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的研究與探討

引言

世界上最早的智能建筑是1984年在美國誕生的，這之后，加拿大、歐洲、澳大利亞和東南亞等經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國家先后開始開發(fā)智能建筑和智能家居產(chǎn)品。智能家居在國外已發(fā)展了20多年，特別在一些發(fā)達(dá)國家，智能家居的普及率相當(dāng)高，智能家居可以為人們提供一種高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的家庭居住環(huán)境。在美國，蓋茨的被稱作“未來之屋”的豪宅堪稱當(dāng)今智能家居的經(jīng)典之作，所有的照明、音樂、溫度、濕度等，都可以根據(jù)客人的需要通過電腦任意調(diào)節(jié)；當(dāng)你踏入一個房間，藏在壁紙后方的揚(yáng)聲器就會響起你喜愛的旋律，墻壁上則投射出你熟悉的畫作；廁所里安裝了一套檢查身體的電腦系統(tǒng)，如果發(fā)現(xiàn)異常，電腦會立即發(fā)出警報；地板中的傳感器在感應(yīng)到有人到來時就自動打開照明系統(tǒng)，在客人離去的同時自動關(guān)閉。在國內(nèi)，智能家居經(jīng)歷了10年的起步階段，發(fā)展速度緩慢。這主要是因?yàn)殚_發(fā)技術(shù)短期內(nèi)不成熟，沒有形成完整的、全面的系統(tǒng)解決方案，主要集中在一些分散的智能家庭控制子系統(tǒng)的研究上，所以有必要對智能家居系統(tǒng)做研究和探討。

1智能家居的架構(gòu)

智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)的一部分和人們的生活息息相關(guān)，是人們感受物聯(lián)網(wǎng)最直接的方式。通過智能家居系統(tǒng)，人們將充分感受到物聯(lián)網(wǎng)革命帶給人們的方便、快捷與智能化。圖1所示是智能家居系統(tǒng)的基本框架圖。下面對具有集中式信息處理模塊的智能家居系統(tǒng)作一簡要介紹。

1.1信息家電

信息家電應(yīng)該是一種價格低廉、操作簡便、實(shí)用性強(qiáng)、帶有PC主要功能的家電產(chǎn)品。利用電腦、電信和電子技術(shù)與傳統(tǒng)家電相結(jié)合的創(chuàng)新產(chǎn)品，是為數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更廣泛地深入家庭生活而設(shè)計的新型家用電器。在目前的傳統(tǒng)家電的基礎(chǔ)上，將信息技術(shù)融入傳統(tǒng)的家電當(dāng)中，使其功能更加強(qiáng)大，使用更加簡單、方便和實(shí)用，為家庭生活創(chuàng)造更高品質(zhì)的生活環(huán)境，比如模擬電視發(fā)展成數(shù)字電視，電冰箱、洗衣機(jī)、微波爐等也將會變成數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的信息家電。

1.2信息處理模塊

為了使相互獨(dú)立的信息家電可以實(shí)現(xiàn)信息共享與協(xié)同工作，智能家居系統(tǒng)中必須具有專門的信息處理模塊。它的功能主要是收集家庭中各個家電的工作狀態(tài)和服務(wù)請求，對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理，并將結(jié)果送入功能驅(qū)動模塊。隨著家庭中信息家電的數(shù)量不斷增加，采用分布式的控制方式將具有更高的靈活性，這是未來智能家居系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1.3通信模塊

如果說信息處理模塊是智能家居系統(tǒng)的大腦，那么通信模塊就是實(shí)現(xiàn)信息傳導(dǎo)的神經(jīng)。根據(jù)家庭組網(wǎng)的特點(diǎn)，通信模塊常利用已有的布線（如電力載波），或者采用無線傳輸（如藍(lán)牙、紅外、Wi-Fi、ZigBee）等。出于不同的信息家電對傳輸?shù)膸捯蟛煌?，?shí)際中的通信模塊常采用多種方式混合組網(wǎng)。

1.4功能驅(qū)動模塊

功能驅(qū)動模塊是信息流入、流出各個信息家電的接口。由于各個電器生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品在功能和實(shí)現(xiàn)上都有很大的不同，所以必須通過功能驅(qū)動模塊將信息處理模塊的指令翻譯成電器可以執(zhí)行的電平信號，以及將電器的各種狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換成信息處理模塊可以理解的二進(jìn)制信息。

1.5外界信息接口模塊

該模塊可以看成是一個家庭通向外界（如Internet）的網(wǎng)關(guān)，它在家庭內(nèi)部各種家電信息共享的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了基于Internet的資源共享，從而更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了共享的深度和廣度，也將是未來智能家居系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)。

2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)被稱為是繼計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)信息產(chǎn)業(yè)后的第三次革命性創(chuàng)新，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用無處不在。物聯(lián)網(wǎng)是讓所有的物品都能夠遠(yuǎn)程感知和控制，并與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)連接在一起，形成一個更加智慧的生產(chǎn)生活體系。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層次由感知層、傳輸層和應(yīng)用層組成，圖2所示是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的層次結(jié)構(gòu)。

物聯(lián)網(wǎng)以傳感器等傳感技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)信息采集和“物”的識別，通過傳輸層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與計算，經(jīng)過應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)所感知信息的應(yīng)用服務(wù)。

3智能家居的主要技術(shù)

智能能家居系統(tǒng)應(yīng)用的主要技術(shù)包括網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、通信技術(shù)和移動終端技術(shù)。

3.1網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

3.1.1通過家庭網(wǎng)關(guān)的互聯(lián)

家庭網(wǎng)關(guān)是智能家庭局域網(wǎng)的核心部分，主要完成家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)各種不同通信協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和信息共享，以及同外部通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換功能。同時，網(wǎng)關(guān)一般還負(fù)責(zé)家庭智能設(shè)備的管理和控制。

3.1.2通過外部擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)與家電的互聯(lián)

為實(shí)現(xiàn)家用電器的集中控制和遠(yuǎn)程控制功能，家庭智能網(wǎng)關(guān)通過有線或無線的方式，按照特定的通信協(xié)議借助外部擴(kuò)展模塊控制家電或照明設(shè)備。

3.1.3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用

以往的智能家居中，絕大多數(shù)是由單片機(jī)控制的。隨著新功能的不斷增加和性能的不斷提升，將處理能力大大增強(qiáng)的具有網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式操作系統(tǒng)和單片機(jī)的控制程序作相應(yīng)的調(diào)整，使之有機(jī)地結(jié)合成為完整的嵌入式系統(tǒng)。

3.2通信技術(shù)

通信技術(shù)分為有線通信和無線通信技術(shù)，大多已日臻成熟。基于ZigBee技術(shù)的智能家居無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，由于具有低成本、低功耗、較遠(yuǎn)的覆蓋范圍及通用性強(qiáng)的特點(diǎn)，將成為智能家居系統(tǒng)中的又一亮點(diǎn)，必將給現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)帶來一場新的變革。

3.3移動終端技術(shù)

移動智能終端以智能手機(jī)為代表，另外還包含平板電腦、筆記本、智能電視等。移動智能終端內(nèi)嵌嵌入式操作系統(tǒng)，目前被廣泛推崇和得到迅速發(fā)展的是開放的、自由的Android系統(tǒng)［3］，主要應(yīng)用在移動互聯(lián)網(wǎng)方面。移動互聯(lián)網(wǎng)是將移動通信和互聯(lián)網(wǎng)二者結(jié)合起來的、融為一體的移動通信網(wǎng)絡(luò)，在最近幾年里，移動通信和互聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今世界發(fā)展最快、市場潛力最大、前景最誘人的兩大業(yè)務(wù)，它們的增長速度是任何預(yù)測家未曾預(yù)料到的。

4智能家居的主要研究內(nèi)容

智能家居系統(tǒng)可滿足個性化需求?？梢园床煌脩舻男枨?，定制不同的方案。同時，也可模塊化服務(wù)，以滿足不同層次客戶的需求。從客戶需求上分析，智能家居系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容如下：

通過移動智能終端，如智能手機(jī)等，隨時隨地控制家中電器的開關(guān)和監(jiān)測信息家電的工作狀態(tài)。

以“情景模式”一鍵組合控制家電，實(shí)現(xiàn)場景設(shè)定。

支持上述功能的同時，同樣可以使用家電原有的控制方式。

實(shí)時視頻，讓主人對家中的狀況一目了然。

當(dāng)家中發(fā)生警情時，可以自動打電話或發(fā)短信通知，并同時通知小區(qū)的物業(yè)，保安可第一時間到達(dá)現(xiàn)場。

網(wǎng)關(guān)服務(wù)器的密碼以及網(wǎng)絡(luò)控制頁面的登錄密碼,可以隨時更改，保證系統(tǒng)安全性。

5智能家居通信方式比較

智能家居不同廠商產(chǎn)品的區(qū)別主要體現(xiàn)在通信組網(wǎng)方式上。市場上所有的產(chǎn)品無外乎有兩種進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?分別是有線方式和無線方式。

有線方式即總線控制方式，如EIB、C-Bus、H-Bus、LonWorks、SCS、RS-485等。有線方式因?yàn)樾枰M(jìn)行布置復(fù)雜的線路，對原有建筑造成不同程度的破壞，而且維護(hù)、擴(kuò)展也會帶來很多局限性，所以，采用有線通信方式的智能家居產(chǎn)品正在逐漸被淘汰。

無線方式包括射頻、載波、Wi-Fi,ZigBee、藍(lán)牙等。本文的智能家居產(chǎn)品采用ZigBee組網(wǎng)方式，而目前國內(nèi)僅有個別廠家采用ZigBee組網(wǎng)方式。表1所列是對各種無線組網(wǎng)方式的智能家居系統(tǒng)進(jìn)行的比較。

表1智能家居系統(tǒng)通信技術(shù)比較

在表1中，ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)是最低功耗和成本的技術(shù)，這些特點(diǎn)決定了在智能家居中采用ZigBee組網(wǎng)是非常合適的。

6基于ZigBee和移動終端技術(shù)的智能家居系統(tǒng)

6.1系統(tǒng)框圖和主要實(shí)現(xiàn)原理

基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)是未來智能家居系統(tǒng)的主流，該系統(tǒng)包含終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)、傳感器網(wǎng)絡(luò)用戶終端、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端(如手機(jī)移動終端)等。圖3所示就是基于

ZigBee和移動終端技術(shù)的智能家居系統(tǒng)圖。

圖3基于ZigBee和移動終端技術(shù)的智能家居系統(tǒng)

在基于ZigBee和移動終端技術(shù)的智能家居系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)是整個網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，它的作用是開啟并配置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)啟動成功后，通過路由器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)用戶終端，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收各節(jié)點(diǎn)的信息，并處理這些數(shù)據(jù)，將有用信息通過用戶交互程序顯示給用戶，然后接收用戶指令，再通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將指令傳遞到相應(yīng)的設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)。如果要通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制，那么傳感器網(wǎng)絡(luò)用戶終端還要連接到互聯(lián)網(wǎng)，接收來自遠(yuǎn)程智能終端的指令，起到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程終端通信橋梁作用。

6.2系統(tǒng)各部分的功能

6.2.1終端節(jié)點(diǎn)

終端節(jié)點(diǎn)主要由傳感單元、處理單元、無線通信單元和電源單元四個基本單元組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。終端節(jié)點(diǎn)對于網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)沒有責(zé)任。其加入網(wǎng)絡(luò)后主要任務(wù)有兩個：一是通過傳感單元中的傳感器，采集物理信息并進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，處理單元負(fù)責(zé)信息存儲和處理，并送入無線通信單元，后者通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳:二是接收用戶終端的指令，控制設(shè)備作出相應(yīng)的動作。

圖4終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

6.2.2路由器節(jié)點(diǎn)

路由器節(jié)點(diǎn)的主要功能有兩個，一是為終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)提供多跳路由，二是允許新啟動的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，其作用相當(dāng)于互聯(lián)網(wǎng)中的路由器。

6.2.3協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)

協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)是家庭控制網(wǎng)絡(luò)的主控設(shè)備，要求必須由至少一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的FFD設(shè)備組成。一方面，它主導(dǎo)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)建立的整個過程，主要包括系統(tǒng)初始化、網(wǎng)絡(luò)的建立、地址的分配和成員的加入、節(jié)點(diǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)的更新、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表、設(shè)備關(guān)聯(lián)表等幾個方面；另一方面，作為家庭網(wǎng)關(guān)和設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間的橋梁，完成家庭網(wǎng)關(guān)和家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)的通信。家庭網(wǎng)關(guān)對外可以提供各種遠(yuǎn)程智能控制接口，操作者可以通過手機(jī)移動終端連接到Internet訪問家庭網(wǎng)關(guān)的相關(guān)接口，對家中的家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問或者控制。

6.2.4移動智能終端

移動智能終端可以是任意一臺接入互聯(lián)網(wǎng)的計算機(jī)設(shè)備,這時傳感器網(wǎng)絡(luò)用戶終端充當(dāng)通信橋梁。遠(yuǎn)程控制終端通過身份認(rèn)證后，就可以C/S模式或者B/S模式與傳感器網(wǎng)絡(luò)用戶終端進(jìn)行通信，遠(yuǎn)程控制智能家庭網(wǎng)絡(luò)。比如，我們出差長時間不在家，可通過移動智能終端遠(yuǎn)程監(jiān)控家中的環(huán)境，定時打開通風(fēng)設(shè)備改善房間空氣環(huán)境；或者我們下班前可通過移動智能終端遠(yuǎn)程控制空調(diào)或地暖設(shè)備工作，回到家就可以享受到我們想要的舒適環(huán)境。

6.3系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)的主要特點(diǎn)

功耗低。具備多種休眠模式，在待機(jī)模式下，普通電池即可支持長達(dá)數(shù)月甚至一到兩年的連續(xù)工作。

可靠性高。ZigBee采用CSMA-CA碰撞避免機(jī)制，避免了數(shù)據(jù)包發(fā)送時信道的競爭和沖突。其MAC層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，設(shè)備發(fā)送出去的每一個數(shù)據(jù)包，接收設(shè)備在接收之后都必須回傳一個確認(rèn)信息，發(fā)送方才能開始新的傳輸。

網(wǎng)絡(luò)容量大。具有星型結(jié)構(gòu)、樹狀結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)等拓?fù)?，一個全功能設(shè)備可以管理254個節(jié)點(diǎn)設(shè)備，全功能設(shè)備之間還能組成覆蓋范圍更大的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的最大容量可達(dá)2542個節(jié)點(diǎn)。

成本低。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的重要特點(diǎn)就是數(shù)據(jù)傳輸速率低，通信協(xié)議簡單，極大地降低了組網(wǎng)的成本。大范圍組網(wǎng)時,每個節(jié)點(diǎn)的成本可以降到3美元以下。

數(shù)據(jù)安全。ZigBee提供了完整的安全機(jī)制，有效防止網(wǎng)絡(luò)被篡改，防止信息的截獲與竊聽，并提供了多種加密方法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?

通用性。由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟主導(dǎo)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的制定與修改，并保持了設(shè)備和協(xié)議通用性和完好的開放性。

6.4系統(tǒng)采用移動終端技術(shù)的主要特點(diǎn)

移動終端應(yīng)用移動互聯(lián)網(wǎng)，而移動互聯(lián)網(wǎng)是將移動通信和互聯(lián)網(wǎng)二者結(jié)合起來的、融為一體的移動通信網(wǎng)絡(luò)。在最近幾年里，移動通信和互聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今世界發(fā)展最快、市場潛力最大、前景最誘人的兩大業(yè)務(wù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

典型的移動終端平臺是Android平臺。Android是Google公司針對智能終端開發(fā)的一個平臺，基于linux內(nèi)核,是開放、開源的系統(tǒng)，其大部分應(yīng)用主要是用java開發(fā)，具有很好的跨平臺性。實(shí)際上，移動終端就是一個可移動的計算機(jī)。

7結(jié)語

本文對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)進(jìn)行了研究與探討，分析了智能家居的架構(gòu)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層次，提出了一套基于ZigBee和移動終端技術(shù)的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)和移動終端技術(shù)，具有諸多顯著特點(diǎn)。本文通過對通信方式進(jìn)行比較后，在家居系統(tǒng)中選擇ZigBee通信技術(shù)，通過分析說明了ZigBee技術(shù)在樓宇自動化領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。系統(tǒng)在應(yīng)用中選擇移動終端技術(shù)，移動終端技術(shù)具有基于移動互聯(lián)網(wǎng)和可靠的嵌入式等特點(diǎn)，使智能家居控制系統(tǒng)具有智能化和可移動性。基于ZigBee和移動終端技術(shù)的智能家居系統(tǒng)能將家庭中的家居設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中，使傳統(tǒng)家居設(shè)備具有自動化、智能化等新特征，是未來智能家居的主流發(fā)展模式。

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