智能家居綜述

1、智能家居的物聯(lián)網(wǎng)技術及其應用綜述摘 要 在經(jīng)濟發(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)在家居方面的應用技術，對智能家居的概念進行概述，闡述了我國智能家居的發(fā)展趨勢。關鍵詞 智能家居 物聯(lián)網(wǎng) 應用 綜述1 引 言智能家居是以住宅為平臺,利用綜合布線技術、網(wǎng)絡通信技術、智能家居 - 系統(tǒng)設計方案安全防范技術、自動控制技術、音視

2、頻技術將家居生活有關的設施集成, 構(gòu)建高效的住宅設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、藝術性,并實現(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算機技術、通信技術和網(wǎng)絡技術的發(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,而且用戶能夠遠程監(jiān)控自己的家居狀態(tài)和控制家庭電器設備。在智能家居控制系統(tǒng)中,采用無線網(wǎng)絡技術可以解決有線網(wǎng)絡布線麻煩,網(wǎng)絡節(jié)點多,使用電纜數(shù)量龐大等問題,更符合家庭網(wǎng)絡簡潔性、靈活性、模塊化、擴展性及獨立性的通信特點,將無線網(wǎng)絡技術應用于家庭網(wǎng)絡已經(jīng)成為主流趨勢1本文分析了當前比較流行的幾種的智能家

3、居控制方案，和相應控制系統(tǒng)硬件、通信協(xié)議及軟件流程。綜合分析了當下國內(nèi)的智能家居物聯(lián)網(wǎng)技術，對當下的技術做了一個綜述。2.系統(tǒng)總體設計物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)通常分為感知層，網(wǎng)絡層和應用層，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)絡層由各種網(wǎng)絡，包括互聯(lián)網(wǎng)，廣電網(wǎng)，網(wǎng)絡管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，是整個物聯(lián)網(wǎng)的中樞，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。應用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應用。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，構(gòu)建家庭網(wǎng)絡及家居控制系統(tǒng)；延伸至智能家居的小區(qū)通信網(wǎng)絡以通信運營商為主建設，并與公共通信網(wǎng)絡互聯(lián)。綜合我國智能

4、家居領域的應用，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)絡層，智能家居應用層2。文結(jié)合技術體系架構(gòu)，分析其各層次的技術應用與趨勢。圖1 無線智能家居網(wǎng)絡示意圖2.1 智能家居感知層智能家居感知層由各種終端設備傳感器及智能家居網(wǎng)關組成。包括了各種與家電、家居相關的傳感器、控制器、執(zhí)行器及識別裝置等，以及有線網(wǎng)絡結(jié)合無線泛在網(wǎng)絡的物理連接。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)絡層提供統(tǒng)一的接口，屏蔽異構(gòu)網(wǎng)絡之間的差異；進行不同形式家庭通信網(wǎng)絡間的MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)映射，以支持不同網(wǎng)絡間進行方便互通；支持動態(tài)智能的有線及多種無線網(wǎng)絡的接入及選擇智能家居網(wǎng)

5、關支持家庭內(nèi)的通過有線O無線方式構(gòu)成的網(wǎng)絡，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)絡層主要包括家庭內(nèi)部網(wǎng)絡和骨干網(wǎng)絡接入兩個部分。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、藍牙、 紅外、Zigbee等。網(wǎng)絡接入層通過家庭網(wǎng)

6、關與業(yè)務網(wǎng)關，實現(xiàn)不同應用協(xié)議規(guī)范的互聯(lián)互通互操作，并與骨干網(wǎng)絡實現(xiàn)無縫連接。2.3智能家居應用層家庭終端是各類家庭控制設備的控制與管理平臺，實現(xiàn)家居傳感器信號的采集，控制與傳輸。家庭終端應具備各類家庭情景控制模式，具備移動控制終端( 如平板電腦，手機等功能，且平板電腦，手機還可作為智能家居的遠程控制終端。此外，家庭終端還應具備泛在物聯(lián)服務延伸至智能家居的管理平臺功能。3.系統(tǒng)硬件設計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，負責子系統(tǒng)的信息集中、存儲、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模塊主要實現(xiàn)在智能家居中的遠程信息采集及控制，因此GPRS模塊應能夠接受請求信息（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)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。相比其它幾種無線通信技術，它具有：更高的安全性（擁有128K的高級加密技術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)擴頻和網(wǎng)絡自愈功能，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)能力強大到理論上能達到65000多個設備，我們的網(wǎng)關測試外掛2500個傳感器延時僅1.2秒）。所以是作為智能家居應用技術的首選技術。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標準的射頻收發(fā)器,它基于Chipcon公司的SmartRF 03技術,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16 位配置寄存器、15 個命令選通寄存器、一個 128 字節(jié)的 RXRAM、1 個128 字節(jié)的TX RAM、1 個112 字節(jié)的安全信息

10、存儲器。CC2420可以通過4線SPI總線(SI,SO,SCLK,CSn)設置芯片的工作模式實現(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引腳上的信號:FIFO、FIFOP、SFD、CCA 和VREG_EN 與 RF_RESET_的驅(qū)動3。3.4 藍牙模塊是一種支持設備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無線電技術。能在包括移動電話、PDA、無線耳機、筆記本電腦、相關外設等眾多設備之間進行無線信息交換。但這種技術通訊距離太短，同時屬于點對點通訊方式，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，同時為減少開發(fā)時間、降低開發(fā)難度。它可以直接

11、與單片機或處理器相連，采用即插即用的方式透明的實現(xiàn)設備間的無線數(shù)據(jù)傳輸，同時特支持多點傳輸。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).同時有些以太網(wǎng)通訊模塊也按照TCP/IP協(xié)議,將網(wǎng)絡上傳遞的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換.3.6電力線載波模塊及電力線接口電路設計由于電力線網(wǎng)絡的非規(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)時如何抗干擾就成為一個不得不考慮的問題。噪聲干

12、擾以及傳輸距離的遠近都與通訊效果的好壞有直接的關系，改善信噪比的關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，它既是一個耦合電路，用于 FSK信號的傳輸與接收; 也是一個濾波系統(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，是實現(xiàn)載波通信的關鍵。其由接收濾波電路，發(fā)送濾波電路和耦合保護電路 ，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)軟件設計軟件部分包括 Android 客戶端軟件設計，WEB平臺的搭建，GPRS DTU的配置，微控制器底層驅(qū)動編寫。軟件設計采用KEI

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

14、4.客戶端主界面如圖10所示。圖10 客戶端主界面4.2 WEB服務器的構(gòu)建WEB服務器的構(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)擴展出以太網(wǎng)功能，通過簡化HTTP的一些機制來實現(xiàn)精簡的WEB服務器，使用戶通過WEB 網(wǎng)頁就能與遠程設備交互5。完成后的界面如圖11所示。圖11 登陸認證界面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，設置模塊入網(wǎng)的相關參數(shù)如IP端口號，網(wǎng)絡協(xié)議等，保存設置，重啟模塊即可工作?？蛻舳丝梢酝ㄟ^手機短信與DTU實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，也可以通過上位機實現(xiàn)指令的發(fā)送。4.4 微控制器底層驅(qū)動與系統(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。當系統(tǒng)監(jiān)聽到遠程WEB瀏覽器發(fā)來的控制請求數(shù)據(jù)時，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，系統(tǒng)解析數(shù)據(jù)并判斷家中有突發(fā)事件后，會現(xiàn)場發(fā)出聲光報警并驅(qū)動攝像頭。通過3G網(wǎng)絡以短信息

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，因為具有巨大的發(fā)展空間。 當住戶在傳統(tǒng)的家居環(huán)境下生活較長時間之后， 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)在家居方面的應用技術，對智能家居的概念進行概述，闡述了我國智能家居的發(fā)展趨勢。參考文獻：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)關設計J.計算機應用,2010,(9):2541-2543.2 陳 謐. 智能家居的物聯(lián)網(wǎng)技術及其應用J.現(xiàn)代建筑電氣，2013,(12):47-493 張逢雪, 王香婷,