智能家居綜述

1、智能家居的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用綜述摘 要 在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大背景之下，我國的智能家居也出現(xiàn)了蓬勃的發(fā)展局面，智能家居本身具有高效能，便利，智能化以及安全性能較佳的特性，可以為人們的生活營造出安全，舒適的氛圍。因此其發(fā)展對于社會(huì)發(fā)展具有重要意義。就目前的形勢來看，智能家居在我國的發(fā)展趨勢十分樂觀。本文通過分析國內(nèi)近期的智能家居論文，解讀了我國智能家居的發(fā)展現(xiàn)狀，物聯(lián)網(wǎng)在家居方面的應(yīng)用技術(shù)，對智能家居的概念進(jìn)行概述，闡述了我國智能家居的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞 智能家居 物聯(lián)網(wǎng) 應(yīng)用 綜述1 引 言智能家居是以住宅為平臺(tái),利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能家居 - 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視

2、頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成, 構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事物的管理系統(tǒng),提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性,并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。隨著人們生活水平的提高以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,智能家居逐漸成為未來家居生活的發(fā)展方向。智能家居不僅能給用戶提供安全、健康和舒適的生活環(huán)境,而且用戶能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控自己的家居狀態(tài)和控制家庭電器設(shè)備。在智能家居控制系統(tǒng)中,采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以解決有線網(wǎng)絡(luò)布線麻煩,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多,使用電纜數(shù)量龐大等問題,更符合家庭網(wǎng)絡(luò)簡潔性、靈活性、模塊化、擴(kuò)展性及獨(dú)立性的通信特點(diǎn),將無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為主流趨勢1本文分析了當(dāng)前比較流行的幾種的智能家

3、居控制方案，和相應(yīng)控制系統(tǒng)硬件、通信協(xié)議及軟件流程。綜合分析了當(dāng)下國內(nèi)的智能家居物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對當(dāng)下的技術(shù)做了一個(gè)綜述。2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)通常分為感知層，網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1。感知層由各種傳感器構(gòu)成，是物聯(lián)網(wǎng)識別物體，采集信息的來源。網(wǎng)絡(luò)層由各種網(wǎng)絡(luò)，包括互聯(lián)網(wǎng)，廣電網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)等組成，是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的中樞，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。目前，我國智能家居系統(tǒng)內(nèi)部以房地產(chǎn)開發(fā)商為主建設(shè)，構(gòu)建家庭網(wǎng)絡(luò)及家居控制系統(tǒng)；延伸至智能家居的小區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)以通信運(yùn)營商為主建設(shè)，并與公共通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。綜合我國智能

4、家居領(lǐng)域的應(yīng)用，可將物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)分為智能家居感知層，公共通信網(wǎng)絡(luò)層，智能家居應(yīng)用層2。文結(jié)合技術(shù)體系架構(gòu)，分析其各層次的技術(shù)應(yīng)用與趨勢。圖1 無線智能家居網(wǎng)絡(luò)示意圖2.1 智能家居感知層智能家居感知層由各種終端設(shè)備傳感器及智能家居網(wǎng)關(guān)組成。包括了各種與家電、家居相關(guān)的傳感器、控制器、執(zhí)行器及識別裝置等，以及有線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合無線泛在網(wǎng)絡(luò)的物理連接。這一層還包括不同接入方式的MAC子層和鏈路控制子層，對上層網(wǎng)絡(luò)層提供統(tǒng)一的接口，屏蔽異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的差異；進(jìn)行不同形式家庭通信網(wǎng)絡(luò)間的MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)映射，以支持不同網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行方便互通；支持動(dòng)態(tài)智能的有線及多種無線網(wǎng)絡(luò)的接入及選擇智能家居網(wǎng)

5、關(guān)支持家庭內(nèi)的通過有線O無線方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，包括各類現(xiàn)場總線，以太網(wǎng)， G.hn，WAPI，ZigBee，RFID，Bluetooth等; 支持公共通信網(wǎng)絡(luò)接入家庭，其中，有線接入方式可支持 FTTH，xDSL，xPON等，無線接入方式可支持2.5G，3G，4G等。2.2智能家居網(wǎng)絡(luò)層主要包括家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和骨干網(wǎng)絡(luò)接入兩個(gè)部分。家庭內(nèi)部組網(wǎng)支持的有線方式包括：電子載波X-10和CEBUS、電話線HomePNA、以太網(wǎng)IEEE802.3和802.3u、串行總線USB1.1、USB2.0和IEEE1394等；無線方式包括：無線局域網(wǎng)、家庭射頻技術(shù)、藍(lán)牙、 紅外、Zigbee等。網(wǎng)絡(luò)接入層通過家庭網(wǎng)

6、關(guān)與業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用協(xié)議規(guī)范的互聯(lián)互通互操作，并與骨干網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無縫連接。2.3智能家居應(yīng)用層家庭終端是各類家庭控制設(shè)備的控制與管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)家居傳感器信號的采集，控制與傳輸。家庭終端應(yīng)具備各類家庭情景控制模式，具備移動(dòng)控制終端( 如平板電腦，手機(jī)等功能，且平板電腦，手機(jī)還可作為智能家居的遠(yuǎn)程控制終端。此外，家庭終端還應(yīng)具備泛在物聯(lián)服務(wù)延伸至智能家居的管理平臺(tái)功能。3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 主控模塊主控模塊是智能家居的大腦，子系統(tǒng)是智能家居的四肢。主控模塊，負(fù)責(zé)子系統(tǒng)的信息集中、存儲(chǔ)、分析和決策。嵌入式芯片發(fā)展使主控模塊越來越精巧，功能日益豐富。嵌入式技術(shù)的發(fā)展，特別是嵌入式控制芯片在功耗、

7、速度、集成度方面的持續(xù)發(fā)展，使用單片控制芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的控制成為可能。主控模塊從圖2中可以看出要完成以下工作：和子系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)、GPRS通信功能、以太網(wǎng)通信功能、顯示功能、監(jiān)控軟件等。圖2 主控模塊框圖3.2 GPRS模塊GPRS模塊主要實(shí)現(xiàn)在智能家居中的遠(yuǎn)程信息采集及控制，因此GPRS模塊應(yīng)能夠接受請求信息（接收短信）及返回信息給客戶端（發(fā)送短信），另外該模塊還應(yīng)具有聯(lián)系人管理功能。GPRS 模塊選用西門子公司的 MC35i 模塊,可以快速可靠的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸、語音傳輸、短消息傳輸。MC35i模塊主要由GSM 基帶處理器、GSM 射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF 連接器、天線接口組成。

8、模塊的工作電壓為 3.3-4.8V,可以工作在 900MHz 和1800MHz 兩個(gè)頻段。3.3 ZigBee通信射頻模塊ZigBee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。相比其它幾種無線通信技術(shù)，它具有：更高的安全性（擁有128K的高級加密技術(shù)在全球目前還沒有攻破的先例）；更可靠的穩(wěn)定性（擁有跳頻，直續(xù)擴(kuò)頻和網(wǎng)絡(luò)自愈功能，蜂窩型結(jié)構(gòu)，使用越廣泛穩(wěn)定性能越好，適合于大面積布網(wǎng)。）；更強(qiáng)大的組網(wǎng)能力（擁有星型網(wǎng)，樹狀網(wǎng)，網(wǎng)狀網(wǎng)的

9、多種組網(wǎng)方式，組網(wǎng)能力強(qiáng)大到理論上能達(dá)到65000多個(gè)設(shè)備，我們的網(wǎng)關(guān)測試外掛2500個(gè)傳感器延時(shí)僅1.2秒）。所以是作為智能家居應(yīng)用技術(shù)的首選技術(shù)。Z i g B e e 通信射頻模塊選用 CC2420,該模塊是Chipcon 公司推出的首款符合 2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器,它基于Chipcon公司的SmartRF 03技術(shù),以 0.18um CMOS 工藝制成,只需極少外部元器件,性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420 有33 個(gè)16 位配置寄存器、15 個(gè)命令選通寄存器、一個(gè) 128 字節(jié)的 RXRAM、1 個(gè)128 字節(jié)的TX RAM、1 個(gè)112 字節(jié)的安全信息

10、存儲(chǔ)器。CC2420可以通過4線SPI總線(SI,SO,SCLK,CSn)設(shè)置芯片的工作模式實(shí)現(xiàn)讀 / 寫緩存數(shù)據(jù)、讀 / 寫狀態(tài)寄存器等,以從屬方式使用 SPI 還必須考慮以下幾個(gè)引腳上的信號:FIFO、FIFOP、SFD、CCA 和VREG_EN 與 RF_RESET_的驅(qū)動(dòng)3。3.4 藍(lán)牙模塊是一種支持設(shè)備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無線電技術(shù)。能在包括移動(dòng)電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。但這種技術(shù)通訊距離太短，同時(shí)屬于點(diǎn)對點(diǎn)通訊方式，對于智能家居的要求來說根本不適用為了提高智能家居控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)為減少開發(fā)時(shí)間、降低開發(fā)難度。它可以直接

11、與單片機(jī)或處理器相連，采用即插即用的方式透明的實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無線數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)特支持多點(diǎn)傳輸。3.5 以太網(wǎng)模塊以太網(wǎng)通訊模塊就是用來對以太網(wǎng)上傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行調(diào)試和解調(diào)試,將其轉(zhuǎn)為可交給CPU識別和處理的有效數(shù)據(jù)的模塊.它的數(shù)據(jù)是以一種差分的形式傳遞的.處理器無法識讀.所以需要以太網(wǎng)通訊模塊,將網(wǎng)絡(luò)線上的信號轉(zhuǎn)換為CPU能夠識別的0和1這樣的數(shù)據(jù).同時(shí)有些以太網(wǎng)通訊模塊也按照TCP/IP協(xié)議,將網(wǎng)絡(luò)上傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換.3.6電力線載波模塊及電力線接口電路設(shè)計(jì)由于電力線網(wǎng)絡(luò)的非規(guī)則性，使得信號傳輸受到電力網(wǎng)上各種干擾因素的影響，因此用電力線來傳送數(shù)據(jù)時(shí)如何抗干擾就成為一個(gè)不得不考慮的問題。噪聲干

12、擾以及傳輸距離的遠(yuǎn)近都與通訊效果的好壞有直接的關(guān)系，改善信噪比的關(guān)鍵就在于找到一款高性能的電力線載波芯片。電力線接口電路用于連接ST7538 載波芯片和電力線，它既是一個(gè)耦合電路，用于 FSK信號的傳輸與接收; 也是一個(gè)濾波系統(tǒng)，它的功能是濾掉 220V/50Hz的交流信號的干擾,噪聲信號以及浪涌信號。它的性能決定了通信的好壞，是實(shí)現(xiàn)載波通信的關(guān)鍵。其由接收濾波電路，發(fā)送濾波電路和耦合保護(hù)電路 ，部分組成。電力線接口電路如圖3 所示圖3 電力線接口電路4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件部分包括 Android 客戶端軟件設(shè)計(jì)，WEB平臺(tái)的搭建，GPRS DTU的配置，微控制器底層驅(qū)動(dòng)編寫。軟件設(shè)計(jì)采用KEI

13、L MDK作為開發(fā)環(huán)境，KEIL MDK集成了業(yè)內(nèi)最領(lǐng)先的技術(shù)，包 uVision4集成開發(fā)環(huán)境與RealView編譯器，強(qiáng)大的Simulation設(shè)備模擬，性能分析等功能，可以讓開發(fā)者方便地開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序!4.1 Android客戶端軟件設(shè)計(jì)Android的客戶端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括用戶界面UI，Socket通信，SQLite數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。Android應(yīng)用程序由一個(gè)或多個(gè)組件構(gòu)成，組件包括 activities，services，content providers，broadcast receivers等，每個(gè)組件在應(yīng)用程序中完成不同的任務(wù)，每個(gè)組件可以單獨(dú)被激活，或由其他應(yīng)用程序激活

14、4.客戶端主界面如圖10所示。圖10 客戶端主界面4.2 WEB服務(wù)器的構(gòu)建WEB服務(wù)器的構(gòu)建是建立在嵌入式 uC/OS-II操作系統(tǒng)之上，因此要先完成uC/OS-II在Cotex-M3內(nèi)核上移植，然后將嵌入式設(shè)備專用TCP/IP協(xié)議棧 LWIP( 輕型TCP/IP協(xié)議) 移植到uC/OS-II操作系統(tǒng)中，并使uC/OS-II系統(tǒng)擴(kuò)展出以太網(wǎng)功能，通過簡化HTTP的一些機(jī)制來實(shí)現(xiàn)精簡的WEB服務(wù)器，使用戶通過WEB 網(wǎng)頁就能與遠(yuǎn)程設(shè)備交互5。完成后的界面如圖11所示。圖11 登陸認(rèn)證界面4.3 GPRS DTU的配置GPRS DTU模塊一般帶有配置軟件，模塊上電后，通過串口線與 PC連接好，打

15、開配置軟件，設(shè)置模塊入網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)如IP端口號，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等，保存設(shè)置，重啟模塊即可工作?？蛻舳丝梢酝ㄟ^手機(jī)短信與DTU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，也可以通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)指令的發(fā)送。4.4 微控制器底層驅(qū)動(dòng)與系統(tǒng)程序流程系統(tǒng)程序流程如圖12所示。從圖12可知，系統(tǒng)上電初始化后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)智能家居中心控制器接收的數(shù)據(jù)，調(diào)用不同的處理程序。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)聽到遠(yuǎn)程WEB瀏覽器發(fā)來的控制請求數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)將調(diào)用信息家電控制程序，數(shù)據(jù)處理完后，發(fā)給WEB瀏覽器。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)聽到是支持ZigBee協(xié)議的JN5139收發(fā)模塊傳輸至中心控制器的數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)解析數(shù)據(jù)并判斷家中有突發(fā)事件后，會(huì)現(xiàn)場發(fā)出聲光報(bào)警并驅(qū)動(dòng)攝像頭。通過3G網(wǎng)絡(luò)以短信息

16、或視頻通話的方式通知到用戶，或者向小區(qū)監(jiān)控中心報(bào)警6。圖12 系統(tǒng)程序流程圖5.結(jié) 語智能家居行業(yè)本身的發(fā)展就體現(xiàn)出其較高的技術(shù)含量。由于其能夠改變?nèi)藗儸F(xiàn)有的生活品質(zhì)和生活環(huán)境，因?yàn)榫哂芯薮蟮陌l(fā)展空間。 當(dāng)住戶在傳統(tǒng)的家居環(huán)境下生活較長時(shí)間之后， 必然追求更加安全，舒適，便利的生活氛圍,而智能家居的出現(xiàn)很好地解決了這個(gè)問題。本文通過分析國內(nèi)近期的智能家居論文，解讀了我國智能家居的發(fā)展現(xiàn)狀，物聯(lián)網(wǎng)在家居方面的應(yīng)用技術(shù)，對智能家居的概念進(jìn)行概述，闡述了我國智能家居的發(fā)展趨勢。參考文獻(xiàn)：1 滿莎,楊恢先,彭友,王緒四.基于ARM9 的嵌入式無線智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)J.計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2010,(9):2541-2543.2 陳 謐. 智能家居的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用J.現(xiàn)代建筑電氣，2013,(12):47-493 張逢雪, 王香婷,