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1、智能家居的物联网技术及其应用综述摘 要 在经济发展的大背景之下，我国的智能家居也出现了蓬勃的发展局面， 智能家居本身具有高效能，便利，智能化以及安全性能较佳的特性，可以为人们 的生活营造出安全，舒适的氛围。因此其发展对于社会发展具有重要意义。就目 前的形势来看，智能家居在我国的发展趋势十分乐观。本文通过分析国内近期的 智能家居论文，解读了我国智能家居的发展现状，物联网在家居方面的应用技术, 对智能家居的概念进行概述，阐述了我国智能家居的发展趋势。关键词 智能家居物联网应用综述1引言智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居- 系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频
2、技术将家居生活有关的设施 集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事物的管理系统，提升家居安全性、便利 性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。随着人们生活水平的提高以 及计算机技术、通信技术和网络技术的发展，智能家居逐渐成为未来家居生活的 发展方向。智能家居不仅能给用户提供安全、健康和舒适的生活环境，而且用户 能够远程监控自己的家居状态和控制家庭电器设备。在智能家居控制系统中，采 用无线网络技术可以解决有线网络布线麻烦，网络节点多，使用电缆数量庞大等 问题，更符合家庭网络简洁性、灵活性、模块化、扩展性及独立性的通信特点， 将无线网络技术应用于家庭网络已经成为主流趋势1本文分析了当前比较流行的
3、几种的智能家居控制方案，和相应控制系统硬 件、通信协议及软件流程。综合分析了当下国内的智能家居物联网技术，对当下 的技术做了一个综述。2. 系统总体设计物联网的体系架构通常分为感知层，网络层和应用层，如图1。感知层由各 种传感器构成，是物联网识别物体，采集信息的来源。网络层由各种网络，包括 互联网，广电网，网络管理系统和云计算平台等组成，是整个物联网的中枢，负 责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户的接口，它与行业需求 结合，实现物联网的智能应用。目前，我国智能家居系统内部以房地产开发商为 主建设，构建家庭网络及家居控制系统；延伸至智能家居的小区通信网络以通信 运营商为主建设，并与
4、公共通信网络互联。综合我国智能家居领域的应用，可将 物联网智能家居系统分为智能家居感知层，公共通信网络层，智能家居应用层。 文结合技术体系架构，分析其各层次的技术应用与趋势。图1无线智能家居网络示意图2.1智能家居感知层智能家居感知层由各种终端设备传感器及智能家居网关组成。包括了各种与 家电、家居相关的传感器、控制器、执行器及识别装置等，以及有线网络结合无 线泛在网络的物理连接。这一层还包括不同接入方式的MAC子层和链路控制子 层，对上层网络层提供统一的接口，屏蔽异构网络之间的差异；进行不同形式家 庭通信网络间的MAC协议数据单元(PDU)映射，以支持不同网络间进行方便互 通；支持动态智能的有
5、线及多种无线网络的接入及选择智能家居网关支持家庭内的通过有线0无线方式构成的网络，包括各类现场 总线，以太网，G.hn, WAPI, ZigBee, RFID, Bluetooth等；支持公共通信网络 接入家庭，其中，有线接入方式可支持FTTH, xDSL, xPON等，无线接入方 式可支持2.5G, 3G, 4G等。2.2智能家居网络层主要包括家庭内部网络和骨干网络接入两个部分。家庭内部组网支持的有线 方式包括：电子载波X-10和CEBUS、电话线HomePNA、以太网IEEE802.3和802.3u、 串行总线USB1.1、USB2.0和IEEE1394等；无线方式包括：无线局域网、家庭射
6、 频技术、蓝牙、红外、Zigbee等。网络接入层通过家庭网关与业务网关，实现 不同应用协议规范的互联互通互操作，并与骨干网络实现无缝连接。2.3智能家居应用层家庭终端是各类家庭控制设备的控制与管理平台，实现家居传感器信号的采 集，控制与传输。家庭终端应具备各类家庭情景控制模式，具备移动控制终端（如 平板电脑，手机等功能，且平板电脑，手机还可作为智能家居的远程控制终端。 此外，家庭终端还应具备泛在物联服务延伸至智能家居的管理平台功能。3. 系统硬件设计3.1主控模块主控模块是智能家居的大脑，子系统是智能家居的四肢。主控模块，负责子 系统的信息集中、存储、分析和决策。嵌入式芯片发展使主控模块越来越
7、精巧， 功能日益丰富。嵌入式技术的发展，特别是嵌入式控制芯片在功耗、速度、集成度方面的持 续发展，使用单片控制芯片完成整个系统的控制成为可能。主控模块从图2中可 以看出要完成以下工作：和子系统的联网、GPRS通信功能、以太网通信功能、 显示功能、监控软件等。图2主控模块框图3.2 GPRS 模块GPRS模块主要实现在智能家居中的远程信息采集及控制，因此GPRS模块应 能够接受请求信息（接收短信）及返回信息给客户端（发送短信），另外该模块 还应具有联系人管理功能。GPRS模块选用西门子公司的MC35i模块，可以快速可靠的实现系统中的数 据传输、语音传输、短消息传输MC35i模块主要由GSM基带处
8、理器、GSM射频 模块、供电模块、闪存、ZIF连接器、天线接口组成。模块的工作电压为3.3-4.8V, 可以工作在900MHz和1800MHz两个频段。3.3 ZigBee通信射频模块ZigBee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短 距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、 低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。 相比其它几种无线通信技术，它具有：更高的安全性（拥有128K的高级加密技 术在全球目前还没有攻破的先例）；更可靠的稳定性（拥有跳频，直续扩频和网 络自愈功能，蜂窝型结构，使用越广泛稳定性能越
9、好，适合于大面积布网。更 强大的组网能力（拥有星型网，树状网，网状网的多种组网方式，组网能力强大 到理论上能达到65000多个设备,我们的网关测试外挂2500个传感器延时仅1.2 秒）。所以是作为智能家居应用技术的首选技术。Z i g B e e通信射频模块选用CC2420,该模块是Chipcon公司推出的首款 符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器,它基于Chipcon公司的SmartRF 03技术，以0.18um CMOS工艺制成,只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。 CC2420有33个16位配置寄存器、15个命令选通寄存器、一个128字节的 RXRAM、1个12
10、8字节的TX RAM、1个112字节的安全信息存储器。CC2420可 以通过4线SPI总线(SI,SO,SCLK,CSn)设置芯片的工作模式实现读/写缓存数 据、读/写状态寄存器等，以从属方式使用SPI还必须考虑以下几个引脚上的 信号:FIFO、FIFOP、SFD、CCA 和 VREG_EN 与 RF_RESET_的驱动33.4蓝牙模块是一种支持设备短距离通信(一般10m内)的无线电技术。能在包括移动电 话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。 但这种技术通讯距离太短，同时属于点对点通讯方式，对于智能家居的要求来说 根本不适用为了提高智能家居控制系统的稳定性，
11、同时为减少开发时间、降低开 发难度。它可以直接与单片机或处理器相连，采用即插即用的方式透明的实现设 备间的无线数据传输，同时特支持多点传输。3.5以太网模块以太网通讯模块就是用来对以太网上传输的信号进行调试和解调试，将其转 为可交给CPU识别和处理的有效数据的模块.它的数据是以一种差分的形式传递 的.处理器无法识读.所以需要以太网通讯模块，将网络线上的信号转换为CPU能 够识别的0和1这样的数据.同时有些以太网通讯模块也按照TCP/IP协议，将网 络上传递的数据进行转换.3.6电力线载波模块及电力线接口电路设计由于电力线网络的非规则性，使得信号传输受到电力网上各种干扰因素的影 响，因此用电力线
12、来传送数据时如何抗干扰就成为一个不得不考虑的问题。噪声 干扰以及传输距离的远近都与通讯效果的好坏有直接的关系，改善信噪比的关键 就在于找到一款高性能的电力线载波芯片。电力线接口电路用于连接ST7538载波芯片和电力线，它既是一个耦合电路， 用于FSK信号的传输与接收；也是一个滤波系统，它的功能是滤掉220V/50Hz 的交流信号的干扰，噪声信号以及浪涌信号。它的性能决定了通信的好坏，是实 现载波通信的关键。其由接收滤波电路，发送滤波电路和耦合保护电路， 部分组成。电力线接口电路如图3所示ST753S接收带通遞波器发送带通滤波器Fl；S7?0V4. 系统软件设计软件部分包括Android客户端软
13、件设计，WEB平台的搭建，GPRS DTU的配 置，微控制器底层驱动编写。软件设计采用KEIL MDK作为开发环境，KEIL MDK 集成了业内最领先的技术，包uVision4集成开发环境与RealView编译器，强 大的Simulation设备模拟，性能分析等功能，可以让开发者方便地开发嵌入式 应用程序！4.1 Android客户端软件设计Android的客户端控制系统设计主要包括用户界面UI，Socket通信，SQLite 数据库的设计。Android应用程序由一个或多个组件构成，组件包括 activities， services， content providers， broadcast
14、 receivers 等，每个 组件在应用程序中完成不同的任务，每个组件可以单独被激活，或由其他应用程 序激活4客户端主界面如图10所示。图10客户端主界面4.2 WEB服务器的构建WEB服务器的构建是建立在嵌入式uC/OS-II操作系统之上，因此要先完 成uC/OS-II在Cotex-M3内核上移植，然后将嵌入式设备专用TCP/IP协议栈 LWIP（轻型TCP/IP协议）移植到uC/OS-II操作系统中，并使uC/OS-II系统扩 展出以太网功能，通过简化HTTP的一些机制来实现精简的WEB服务器，使用户 通过WEB网页就能与远程设备交互5完成后的界面如图11所示。图11登陆认证界面4.3
15、GPRS DTU 的配置GPRS DTU模块一般带有配置软件，模块上电后，通过串口线与PC连接好， 打开配置软件，设置模块入网的相关参数如IP端口号，网络协议等，保存设置, 重启模块即可工作。客户端可以通过手机短信与DTU实现数据传输，也可以通过 上位机实现指令的发送。4.4微控制器底层驱动与系统程序流程系统程序流程如图12所示。从图12可知，系统上电初始化后，系统会根据 智能家居中心控制器接收的数据，调用不同的处理程序。当系统监听到远程WEB 浏览器发来的控制请求数据时，系统将调用信息家电控制程序，数据处理完后， 发给WEB浏览器。当系统监听到是支持ZigBee协议的JN5139收发模块传输
16、至中 心控制器的数据时，系统解析数据并判断家中有突发事件后，会现场发出声光报 警并驱动摄像头。通过3G网络以短信息或视频通话的方式通知到用户，或者向 小区监控中心报警6图12系统程序流程图5结语智能家居行业本身的发展就体现出其较高的技术含量。由于其能够改变人们 现有的生活品质和生活环境，因为具有巨大的发展空间。当住户在传统的家居 环境下生活较长时间之后，必然追求更加安全，舒适，便利的生活氛围,而智能 家居的出现很好地解决了这个问题。本文通过分析国内近期的智能家居论文，解 读了我国智能家居的发展现状，物联网在家居方面的应用技术，对智能家居的概 念进行概述，阐述了我国智能家居的发展趋势。参考文献：1 满莎,杨恢先，彭友，王绪四.基于ARM9的嵌入式无线智能家居网关设计J.计 算机应用,2010,(9)
