基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居演示系統(tǒng)

*******************實踐教學*******************蘭州理工大學計算機與通信學院2023年春季學期物聯(lián)網(wǎng)綜合應用實踐課程設計題目：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居演示系統(tǒng)專業(yè)班級：姓名：學號：指導教師：成績：目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要1前言2第一章物聯(lián)網(wǎng)的背景及開展歷程31.1物聯(lián)網(wǎng)介紹31.2物聯(lián)網(wǎng)的開展歷程3第二章基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)關鍵技術42.1物聯(lián)網(wǎng)技術42.2智能家居關鍵技術92.3Zigbee技術13第三章智能家居系統(tǒng)方案設計163.1系統(tǒng)的需求分析163.2系統(tǒng)的硬件設計173.3系統(tǒng)的軟件設計203.4系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構21第四章遠程控制客戶端的設計與實現(xiàn)224.1客戶端的功能與結構224.2客戶端網(wǎng)絡通信的設計與實現(xiàn)224.3數(shù)據(jù)庫的設計與實現(xiàn)234.4各功能模塊的設計與實現(xiàn)24總結26致謝27參考文獻28摘要近年來，物聯(lián)網(wǎng)成為全球關注的熱點領域，被認為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后最重大的科技創(chuàng)新。物聯(lián)網(wǎng)的開展為智能家居引入了新的概念和開展空間，而智能家居是物聯(lián)網(wǎng)的一個重要的應用。本文將物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術引入智能家居系統(tǒng)中，設計并實現(xiàn)一套完善、實用、可移植性好、方便易用、本錢低廉的智能家居系統(tǒng)。本文在充分研究物聯(lián)網(wǎng)的體系結構、關鍵技術及應用領域的根底之上，針對物聯(lián)網(wǎng)的重要應用——智能家居，采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術和計算機網(wǎng)絡通信技術，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)的總體功能結構和網(wǎng)絡拓撲結構；依據(jù)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡的功能需求，采用TI公司的CC2530設計并實現(xiàn)了協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點的硬件部分；采用ZigBee2007協(xié)議棧設計并實現(xiàn)了家庭內(nèi)部網(wǎng)絡的組網(wǎng)程序；在充分研究和分析ZigBee路由算法的根底上，采用了ADOV路由算法設計并實現(xiàn)了路由程序；依據(jù)各個終端節(jié)點不同的控制方式和功能，設計并實現(xiàn)了終端節(jié)點的控制程序；對遠程控制端的需求和功能進行了深入的分析，利用VC++6.0設計并實現(xiàn)了具有友好的人機交互界面、簡單的操作方式和較強適應性的遠程控制端。經(jīng)過家庭內(nèi)部網(wǎng)絡的組網(wǎng)測試和系統(tǒng)整體測試，本次設計的家庭內(nèi)部網(wǎng)絡能進行正常的網(wǎng)絡的組建和維護，路由選擇功能正常，各個終端節(jié)點工作穩(wěn)定，可以通過遠程控制端對微波爐、電動窗簾、智能插座進行遠程控制，能通過報警器節(jié)點和環(huán)境信息采集節(jié)點實時的采集家庭的報警信息和溫濕度信息，通過不同的情節(jié)模式對家電及傳感器進行及集中控制?？傮w而言，本系統(tǒng)根本滿足了智能家居的功能需求，工作穩(wěn)定可靠。關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)，智能家居，ZigBee，CC2530，遠程控制端前言人類自身對日常生活舒適化和智能化需求永無止境地追求，一次次地推動著信息產(chǎn)業(yè)的開展和革新。物聯(lián)網(wǎng)在智能家居領域的應用也正是伴隨著新興技術的不斷涌現(xiàn)應運而生。物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后，世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次革命，是一種全新的計算模式的革命。如果說計算機、互聯(lián)網(wǎng)停留在信息世界，那么物聯(lián)網(wǎng)將實現(xiàn)信息世界與物理世界的融合。物聯(lián)網(wǎng)將會帶來巨大的產(chǎn)業(yè)開展機遇，引發(fā)信息技術的重大變革?；谖锫?lián)網(wǎng)環(huán)境的智能家居系統(tǒng)是大量先進技術融合的結果，其目的是將具有無線通信能力，處理能力和感知能力的微型芯片嵌入到日常的生活用品中去，從而建立一個對用戶透明的普適計算環(huán)境。通過感知、計算和無線通信無時無刻地為用戶提供效勞；通過自主學習用戶的行為習慣，智能地為用戶控制各種電器，創(chuàng)造更為舒適的環(huán)境；同時提供各電器耗能的實時反應機制，在不影響用戶使用的前提下，幫助實現(xiàn)節(jié)能減排的目標，使得智能家居系統(tǒng)在智能化的同時也成為一個能源節(jié)約型系統(tǒng)。在用戶體驗方面，智能家居系統(tǒng)也應提供多種不同方式、不同平臺來迎合不同用戶的需要。智能家居系統(tǒng)相較之傳統(tǒng)的家居系統(tǒng)，更加強調(diào)用戶的使用體驗，旨在提供應用戶能夠隨時隨地又隨心所欲地調(diào)節(jié)家居環(huán)境的使用體驗。因此，物聯(lián)網(wǎng)的開展為智能家居引入了新的概念和開展空間，而智能家居是物聯(lián)網(wǎng)的一個重要的應用。智能家居是通過計算機技術、布線技術、網(wǎng)絡通信技術將家庭中零碎的、無序的子系統(tǒng)組織在一起，通過網(wǎng)絡化技術對家居環(huán)境進行管理和控制。但是目前大多數(shù)智能家居產(chǎn)品采用有線通信方式，存在布線麻煩、安裝困難等缺點。隨著新一代信息技術物聯(lián)網(wǎng)技術的興起，可以將物聯(lián)網(wǎng)技術融入智能家居系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)的弊端。本文以STM32為核心處理器，基于ZigBee無線通信技術組建無線傳感網(wǎng)絡，與GSM/GPRS和以太網(wǎng)技術融為一體，實現(xiàn)用戶對智能家居的遠程監(jiān)控。第一章物聯(lián)網(wǎng)的背景及開展歷程1.1物聯(lián)網(wǎng)介紹物聯(lián)網(wǎng)是顧名思義是物與物之間相互聯(lián)系的互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)將傳感器技術、網(wǎng)絡通信技術、識別技術融為一體，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，這意味著人與物之間、物與物之間都可以通過網(wǎng)絡進行信息的交換和處理。物聯(lián)網(wǎng)具有三層構架：第一層是用來識別和采集信息的感知層；第二層是網(wǎng)絡信息會聚層；第三層是應用效勞層。物聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)物物相連的互聯(lián)網(wǎng)絡。但需要聲明的是，雖然物聯(lián)網(wǎng)由傳統(tǒng)意義中以人為網(wǎng)絡主題轉(zhuǎn)換為以物為網(wǎng)絡主題，但物聯(lián)網(wǎng)的核心根底仍然是互聯(lián)網(wǎng)，可以說是某種意義上互聯(lián)網(wǎng)的進一步延展。在數(shù)據(jù)感知方面，打破了物體完全被動感知的固有思維，它們被賦予了感知官能，可以主動與任何其他物體實現(xiàn)信息交換和數(shù)據(jù)傳輸。物聯(lián)網(wǎng)與計算機之間有較大的聯(lián)系，其中，在計算機中的一些框架跟協(xié)議，同樣適用于物聯(lián)網(wǎng)，因此，物聯(lián)網(wǎng)在某種程度上來說，也被定義為能夠自主進行網(wǎng)絡結構框架配置的一種新型技術。由于其與計算機的淵源，該協(xié)議能夠與標簽、識別碼、智能卡、一卡通等進行一些互動，而往往這種互動是通過空間的電磁波實現(xiàn)的。由物聯(lián)網(wǎng)的特殊屬性不難發(fā)現(xiàn)，所謂的物聯(lián)，就是傳統(tǒng)意義上的物體之間的連接，包含數(shù)據(jù)、信息、以及其他的以物質(zhì)或者物體存在的參與者之間的通信，這類通信過程往往以非接觸的方式來進行。也正是這種非接觸的通信方式，能夠使物聯(lián)網(wǎng)不受外在環(huán)境的影響，而僅僅通過空問上的“耦合〞或者電磁波的傳遞、接收而連接起來，因此如果物聯(lián)網(wǎng)物體間通信的平安性能夠得到保障，那么，可以預計，不久的將來，物聯(lián)網(wǎng)的應用將使人類的生活方式發(fā)生質(zhì)的改變，比方安裝了智能家居系統(tǒng)的房屋能夠提供更為符合現(xiàn)代人生活節(jié)奏的平安、舒適等智能化效勞，因此，研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能家居系統(tǒng)，具有一定前瞻性。1.2物聯(lián)網(wǎng)的開展歷程隨著計算機技術、芯片技術以及網(wǎng)絡技術的開展，物聯(lián)網(wǎng)也正在逐步壯大，由于物體的連接都是通過非接觸的空間連接，加之人工智能的開展，在物聯(lián)網(wǎng)中，物品能夠自主地進行數(shù)據(jù)交換、信息傳遞和資源共享，但其核心，仍是射頻識別技術。通過閱讀文獻以及一些前瞻性文章，很容易推斷出，物聯(lián)網(wǎng)將在人工智能、距離感知等方面進行模塊整合，其最終的開展趨勢，是實現(xiàn)人與物、物與物之問的交流對話，并由此而連接成一個“包含〞地球的網(wǎng)絡?！爸腔鄣厍颞暤母拍钍菉W巴馬擔任美國總統(tǒng)時首次提出的，其初衷，是用一種：智能的方式來改變現(xiàn)代生活的交流方式，通過對信息技術的革新，滿足社會、政府以及個人之間的交互方式，其最大的特點是高效、靈活、平安、便利。目前，美國對“智慧地球〞高度重視，并提升至國家戰(zhàn)略高度，與國家經(jīng)濟振興、確立本國競爭優(yōu)勢息息相關。同樣，在歐洲和東亞，物聯(lián)網(wǎng)技術同樣得到十足的開展，很多興旺國家也加快第二代網(wǎng)絡的構建?？偠灾?，信息化的趨勢已經(jīng)普及全球主要國家，信息化所帶來的巨大影響，也給經(jīng)濟低迷的世界經(jīng)濟帶來一劑強心針。與此同時，在我國，物聯(lián)網(wǎng)技術雖然起步較晚，但是政府對信息化的開展高度重視，2023年溫家寶總理在無錫微納傳感網(wǎng)工程技術研發(fā)中心的視察以及重要講話，開啟了中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)開展的新篇章。隨后，我國三大運營商的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務先后揭開神秘面紗，一一公之于眾，主要表現(xiàn)在物流信息化、校訊通、企業(yè)管理、公交視頻等諸多民生息息相關的領域。第二章基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)關鍵技術2.1物聯(lián)網(wǎng)技術2.1.1物聯(lián)網(wǎng)的定義2005年11月17日，國際電信聯(lián)盟〔ITU〕發(fā)布了《ITU以特網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，報告認為，物聯(lián)網(wǎng)是一種全新的動態(tài)網(wǎng)絡，能夠隨時隨地實現(xiàn)人與人〔通過PC和非PC〕、人與物、物與物之間的交互。根據(jù)ITU的描述，在物聯(lián)網(wǎng)時代，通過在各種各樣的日常用品上嵌入一種短距離的移動收發(fā)器，人類在信息與通信世界里將獲得一個新的溝通維度，從任何時間、任何地點的人與人之間的溝通連接，擴展到人與物、物與物之間的溝通連接。目前，不同領域的研究者對物聯(lián)網(wǎng)思考所基于的起點各異，對物聯(lián)網(wǎng)的描述側重于不同的方面，至今仍沒有提出一個權威、完整和精確的物聯(lián)網(wǎng)定義。就物聯(lián)網(wǎng)概念而言，目前較為公認的物聯(lián)網(wǎng)的定義是：通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。通俗地說，通過裝置在物體上的傳感器、電子標簽和全球定位系統(tǒng)等設備，網(wǎng)絡將賦予物體智能，即可以實現(xiàn)人與物體的溝通與對話，也可以實現(xiàn)物體與物體之間的溝通與對話。2.1.2物聯(lián)網(wǎng)的體系結構物聯(lián)網(wǎng)應用覆蓋的范圍小到家庭網(wǎng)絡，大到工業(yè)控制系統(tǒng)、智能交通系統(tǒng)，甚至國家級、世界級的應用，這種覆蓋并不是物與物的簡單互聯(lián)，而是要催生很多具有“計算、通信、控制、協(xié)同和自治〞特點的智能設備與智能信息系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)的目標就是要幫助人類對物理世界具有“透徹的感知能力、全面的任職能力和智慧的處理能力〞。目前在業(yè)界物聯(lián)網(wǎng)體系架構被公認為有三個層次，底層是用來感知數(shù)據(jù)的感知層，第二層是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡層，最上面那么是內(nèi)容應用層。物聯(lián)網(wǎng)體系結構模型如圖1所示。圖1物聯(lián)網(wǎng)的體系結構圖1.感知層物聯(lián)網(wǎng)感知層解決的是人類世界與物理世界的數(shù)據(jù)獲取問題，包括各類物理量、標識、音頻、視頻數(shù)據(jù)。感知層位于三層架構的最底層，是物聯(lián)網(wǎng)開展和應用的根底，具有物聯(lián)網(wǎng)全面感知的核心能力。感知層運用智能傳感器技術、身份識別以及其他信息采集技術，對物品進行根底信息采集，同時接受上層網(wǎng)絡送來的控制信息，完成相應執(zhí)行動作。2.網(wǎng)絡層物聯(lián)網(wǎng)要求網(wǎng)絡層能夠把感知層感知到的數(shù)據(jù)無障礙、高可靠性、高平安性地進行傳遞，所以網(wǎng)絡層要解決的是感知層所獲得的數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)，尤其是遠距離地傳輸問題，同時，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層將承當比現(xiàn)有網(wǎng)絡更大的數(shù)據(jù)量和面臨更高的效勞質(zhì)量要求，所以現(xiàn)有網(wǎng)絡尚不能滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求，這就意味著物聯(lián)網(wǎng)需要對現(xiàn)有網(wǎng)絡進行融合和擴張，利用新技術以實現(xiàn)更加廣泛和高效的互聯(lián)功能。3.應用層應用是物聯(lián)網(wǎng)開展的驅(qū)動力和目的。應用層的主要功能是把感知和傳輸來的信息進行分析和處理，做出正確的控制和決策，實現(xiàn)智能化管理、應用和效勞，這一層解決的是信息處理和人機界面的問題。2.1.3物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術物聯(lián)網(wǎng)的多樣化、規(guī)模化與行業(yè)化的特點，使得物聯(lián)網(wǎng)設計的技術種類非常多。具體而言，物聯(lián)網(wǎng)的關鍵技術包括自動感知技術、移動通信技術、計算機網(wǎng)絡技術、云計算技術、信息平安技術等。下面將對本次設計主要用到的自動感知技術和計算機網(wǎng)絡技術進行介紹。1.自動感知技術自動感知技術是物聯(lián)網(wǎng)的根底，能實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，實現(xiàn)外部世界信息的感知。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)感知層的主要器件，是物聯(lián)網(wǎng)中獲得信息的唯一手段和途徑，傳感器采集信息的準確、可靠、實時將直接影響到控制節(jié)點對信息的處理和傳輸。傳感器的熱性、可靠性、實時性、抗干擾性等性能，對物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的性能起到舉足輕重的作用。自動傳感技術的開展表現(xiàn)在智能傳感器與無線傳感器兩個方向。智能傳感器作為傳感網(wǎng)的根底與感知終端，其技術水平直接決定了傳感網(wǎng)的整體技術性能。智能傳感網(wǎng)是用嵌入式技術將傳感器與微處理器集成為一體，具有環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處理、智能控制與數(shù)據(jù)通信功能的智能數(shù)據(jù)終端設備。無線傳感器網(wǎng)絡〔WirlessSensorNetworksWSNs〕的定義如下：無線傳感器網(wǎng)絡是由眾多傳感器節(jié)點構成的無線網(wǎng)絡，其目的是感知、采集和轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡覆蓋的感知對象的各種信息,并發(fā)送給觀測者。根據(jù)以上定義，傳感器節(jié)點、感知對象和觀測者是無線傳感器網(wǎng)絡的3個組成局部；無線網(wǎng)絡是傳感器之間、傳感器節(jié)點與觀測者之間的通信根底，用于在傳感器與觀測者之間建立通信路徑；感知、采集、處理、發(fā)送感知信息是傳感器網(wǎng)絡的根本功能。傳感器網(wǎng)絡中的局部或全部節(jié)點可以移動。傳感器網(wǎng)絡的分布形狀也會隨著節(jié)點的移動而不斷地動態(tài)變化。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術相比，無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的優(yōu)勢主要表達在：●感知范圍的擴大：單個人型傳感設備雖然能力較強，但感知范圍有限。而無線傳感器網(wǎng)絡通過將大量能力較弱的傳感器散布于整個物理區(qū)域可以獲得較大的感知空間；●容錯性能提高：無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點密集分布，單位區(qū)域內(nèi)的多個傳感器在功能上是冗余的。這使無線傳感器網(wǎng)絡比單個大型傳感設備具有更強的容錯能力。網(wǎng)絡中局部節(jié)點的損壞不會影響系統(tǒng)的正常運行，大量的冗余節(jié)點可以接替這些損壞節(jié)點的工作，為用戶提供可靠的數(shù)據(jù)；●測量的準確性提高：單個傳感器由于能力較弱，測量的準確性低于傳統(tǒng)的大型傳感設備。但多個傳感器通過數(shù)據(jù)融合可以提高測量的準確性。尤其是位置接近的傳感器在對同一個物理量進行測量時，數(shù)據(jù)融合可以增強同種信號(正確)的強度，弱化不相關的噪音；●本錢降低：雖然用大量的傳感器替代了一個大型傳感設備，但由于大型傳感設備在體積、可靠性、測量精度方面有嚴格的限制。無線傳感器網(wǎng)絡的設備本錢仍然遠遠低于傳統(tǒng)的大型傳感設備。此外，由于無線傳感器網(wǎng)絡具有很高的智能性，部署方便，可以長期在無人干預的環(huán)境中自主工作，大大降低了使用和維護的本錢。無線傳感器網(wǎng)絡的上述優(yōu)勢使其在軍事、環(huán)境、醫(yī)療、家庭和其它的商用領域有著很高的應用價值和廣闊的應用前景。2.計算機網(wǎng)絡技術計算機網(wǎng)絡是計算機技術與通信技術高速開展、密切結合的產(chǎn)物，而互聯(lián)網(wǎng)是計算機網(wǎng)絡技術的成功應用?；ヂ?lián)網(wǎng)的應用已經(jīng)對人類社會生活、政治、經(jīng)濟與科技的開展產(chǎn)生了重大影響，并且將繼續(xù)發(fā)揮重要的作用。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的根底上形成與開展的，它將使互聯(lián)網(wǎng)從實驗室、辦公室與家庭擴展到更為廣闊的應用領域。計算機網(wǎng)絡是“以相互共享資源的方式互聯(lián)起來的自治計算機系統(tǒng)的集合〞。計算機網(wǎng)絡具有以下幾個主要特征：組建計算機網(wǎng)絡的主要目的是實現(xiàn)計算機資源共享，互聯(lián)的計算機系統(tǒng)是自治的系統(tǒng)，聯(lián)網(wǎng)計算機之間的通信必須遵循共同的網(wǎng)絡協(xié)議。按覆蓋的地理范圍劃分，計算機網(wǎng)絡可以分為廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)、局域網(wǎng)與個人區(qū)域網(wǎng)四類。2.1.4物聯(lián)網(wǎng)的應用應用是物聯(lián)網(wǎng)存在的理由，是推動物聯(lián)網(wǎng)開展的原動力。物聯(lián)網(wǎng)是基于感知技術，融合各種應用的效勞性網(wǎng)絡系統(tǒng)?！段锫?lián)網(wǎng)“十二五〞開展規(guī)劃》確定了智能工業(yè)、智能農(nóng)業(yè)、智能物流、智能交通、智能電網(wǎng)、智能環(huán)保、智能安防、智能醫(yī)療與智能家居九個應用領域。目前全球范圍內(nèi)電能需求的不斷增加，地球環(huán)境的不斷惡化，電網(wǎng)的復雜程度不斷增加以及電力平安的要求不斷提高，電力行業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。智能電網(wǎng)的建設升級任務擺到了各國政府面前。智能電網(wǎng)是以發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度、效勞與信息等電力系統(tǒng)多個環(huán)節(jié)為對象，不斷研究新型電網(wǎng)控制技術與管理技術，優(yōu)化電力生產(chǎn)、輸變電與使用的全過程，到達“資源、效勞、效益、環(huán)境〞協(xié)調(diào)開展的目的。交通是支持一個國家與地區(qū)經(jīng)濟、社會開展的命脈，也是涉及每個人日常生活的重要問題。隨著我國經(jīng)濟的快速開展，四通八達的公路網(wǎng)、立交橋四處可見，但是交通擁堵、交通事故頻發(fā)，已經(jīng)成為出行時最讓人頭疼的問題。智能交通系統(tǒng)是指通過在交通根底設施、交通工具中廣泛應用信息技術與通信技術，從而提高交通運輸系統(tǒng)的平安性、可管理性、運輸效能，同時能夠降低能源消耗和對環(huán)境的負面影響。智能交通系統(tǒng)〔ITS〕研究的目標是實現(xiàn)“公路交通智能化〞。智能醫(yī)療是將物聯(lián)網(wǎng)應用于醫(yī)療領域，借助數(shù)字化、可視化、自動感知、智能處理技術，實現(xiàn)感知技術、計算機技術、通信技術、智能技術與醫(yī)療技術的融合，患者與醫(yī)生的融合，大型醫(yī)院、專科醫(yī)院與社區(qū)醫(yī)院的融合，將有限的醫(yī)療資源提供應更多的人共享，把醫(yī)院的作用向社會、家庭以及偏遠農(nóng)村延伸和輻射，提升全社會的疾病預防、疾病治療、醫(yī)療保健與健康管理水平。隨著經(jīng)濟與社會的開展，以及歐洲、美國、日本和我國都先后步入老齡化社會，醫(yī)療衛(wèi)生社區(qū)化、保健化的趨勢日趨明顯，智能醫(yī)療必將成為物聯(lián)網(wǎng)中實用性強，貼近名聲、市場需求旺盛的重點開展領域。隨著計算機技術、通信技術及網(wǎng)絡技術的迅猛開展，以及人們居住理念的改變，人們更為關注的是一個高度平安、便捷、舒適的家居環(huán)境，隨之而提出了一連串的新概念：家庭自動化、家庭數(shù)字化、家庭網(wǎng)絡化和家庭智能化等。物聯(lián)網(wǎng)智能家居基于家居內(nèi)實體〔包括設備、人和環(huán)境〕間的信息互聯(lián)，一方面可以實現(xiàn)對客觀環(huán)境以及用戶主動行為更加全面、準確、智能的感知和判斷，并通過各類設備的協(xié)同和聯(lián)動，相互配合地主動為用戶提供適用信息及效勞，從而真正構建出“以人為中心〞的智能家居環(huán)境；另一方面家庭的各個子系統(tǒng)與網(wǎng)絡也不再是獨立的孤島，可以與社區(qū)等外界信息和效勞相銜接，從而更加智能地滿足用戶在家庭中的多種需求，形成更加豐富、方便和更高品質(zhì)的生活模式。2.2智能家居關鍵技術2.2.1智能家居的定義智能家居是一個居住環(huán)境，是以住宅為平臺安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境，利用先進的計算機技術、網(wǎng)絡通信技術和綜合布線技術將與家居生活有關的各種子系統(tǒng)，將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統(tǒng)，提升家居平安性、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。智能家居的目標是：將家庭中各種與信息相關的通信設備、家用電器和家庭保安裝置通過家庭總線技術〔HBS〕連接到一個家庭智能化系統(tǒng)上進行集中的或異地的監(jiān)視、控制和家庭事務性管理，同時保持這些家庭設施與住宅環(huán)境的和諧與協(xié)調(diào)一致。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適平安、高品位且宜人的家庭生活空間，還由原來的被動靜止結構轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ撸峁┤轿坏男畔⒔粨Q功能，幫助家庭與外部保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的平安性，甚至為各種能源費用節(jié)約資金2.2.2智能家居的功能需求人們對智能家居的功能需求主要表達在完善的平安保障、舒適的居住環(huán)境和便利的生活條件上。其中完善的平安保障包括家庭周界平安、出入平安、訪客控制和家庭防盜、防災和求助的需求，是否有足夠的技術和人力上的支持保障，進一步的需求還包括車輛平安、老人小孩起居的平安。舒適的居住環(huán)境主要是對家庭和家庭中的空氣、光線、色彩、音樂、溫濕度、純潔水以及能源利用方面舒適程度的需求，注重家庭環(huán)境的改善，包括持續(xù)的通風、充足的光線、空調(diào)的合理利用、控制和家庭節(jié)能等。便利的生活條件包括住戶對家庭智能化〔如信息家電、家庭辦公和家庭自動化控制〕需求的增加，以及住戶如何利用家庭網(wǎng)絡資源享受到各種與生活密切相關的社會效勞，這里的網(wǎng)絡資源將主要表達在寬帶網(wǎng)絡上，而寬帶網(wǎng)絡上的內(nèi)容效勞〔包括智能家居內(nèi)的和外部公共網(wǎng)絡上的〕將成為提高智能家居生活便利條件的關鍵因素。2.2.3智能家居系統(tǒng)的功能結構為了滿足人們對智能家居的功能需求，典型的智能家居系統(tǒng)的組成有：信息處理中心、家電智能控制系統(tǒng)、電動門窗系統(tǒng)、家庭智能照明系統(tǒng)、安防報警系統(tǒng)、環(huán)境溫度控制系統(tǒng)等。1.信息處理中心信息處理中心是智能家居系統(tǒng)的核心，既是家庭信息的交通樞紐，又是家庭信息平安的保護神。信息處理中心主要功能是：實現(xiàn)家中不同的家電的互聯(lián)信息處理；家庭內(nèi)部網(wǎng)絡與外網(wǎng)的數(shù)據(jù)交流；處理遠程操控命令、采集傳感器信息，處理監(jiān)控采集的視頻信息；解析報警信息并實時上報給用戶；實現(xiàn)對用戶的權限認證，確保家庭信息的平安性。信息處理中心相當于智能家居網(wǎng)絡的效勞器，是一個獨立、智能、靈活多變、標準化的家居網(wǎng)絡系統(tǒng)接口單元，它通過各種途徑從多種多樣的外部網(wǎng)絡接收通信信號，然后通過家庭內(nèi)部網(wǎng)絡信號傳送到特定的用戶設備上，并將相應信號反應給外部通信節(jié)點，實現(xiàn)整個遠程交互過程。信息處理中心的實現(xiàn)，PC機完全可以滿足要求，但以PC機為載體存在著一些缺點，如本錢昂貴，體積較大，不易移動等，所以用其作為硬件載體性價比太低。目前在智能家居系統(tǒng)中，一般采用嵌入式開發(fā)平臺作為信息處理中心。2.家電智能控制系統(tǒng)家電智能控制系統(tǒng)主要通過弱電控制強電的方式，來實現(xiàn)對家電定時、開關、功能選擇和狀態(tài)監(jiān)測等功能。家電智能控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能：家電的自動和手動控制，與其他設備之間的聯(lián)動控制；家電狀態(tài)的實時上傳；通過互聯(lián)網(wǎng)的遠程控制，用戶可以在任何地方通過互聯(lián)網(wǎng)對家電進行控制和狀態(tài)查詢。家電智能控制的優(yōu)點是：能方便的實現(xiàn)就地控制、場景控制、遠程控制等；通過紅外或者協(xié)議信號控制方式，實現(xiàn)方便互不干擾；通過智能檢測器，可以對家里的溫度、濕度、亮度進行檢測，并驅(qū)動電器設備自開工作；系統(tǒng)可以根據(jù)生活節(jié)奏自動開啟和關閉電路，防止不必要的浪費和電氣老化引起的火災。3.電動門窗系統(tǒng)電動門窗系統(tǒng)主要包括門窗上的電動鎖和電動窗簾，主要功能是：對門窗的自動上鎖，以防止忘帶鑰匙、忘記鎖門窗的麻煩；對電動窗簾的自動控制、遠程控制和場景控制，實現(xiàn)對家庭內(nèi)明亮度的控制，提供應用戶舒適的居家環(huán)境。4.家庭智能照明系統(tǒng)家庭智能照明系統(tǒng)主要實現(xiàn)對家庭內(nèi)所有燈光的智能管理，可以用遙控、電腦、等多種智能控制方式實現(xiàn)對燈光的開關、調(diào)光、全開全光及多種燈光效果的實現(xiàn)，從而到達智能照明的節(jié)能、環(huán)保、舒適、方便的功能。5.安防報警系統(tǒng)安防報警系統(tǒng)主要實現(xiàn)實時監(jiān)控非法入侵、火警和煤氣泄漏等的發(fā)生。主要實現(xiàn)功能是：對室內(nèi)煤氣、煙霧的檢測及預警；家中無人時，自動布防；布防后，實時監(jiān)測非法入侵行為；監(jiān)測到非法入侵后，通過網(wǎng)絡傳送給遠程控制端，提示用戶有報警信息。6.環(huán)境溫度控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境信息的實時監(jiān)測，包括溫度和濕度信息。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能：對室內(nèi)溫度和濕度信息的采集；當用戶需要查詢環(huán)境信息的時候，通過網(wǎng)絡傳送溫度和濕度信息。2.2.4智能家居網(wǎng)絡的通信技術智能家居系統(tǒng)的外部網(wǎng)絡通信技術一般采用現(xiàn)有成熟的技術，包括互聯(lián)網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、網(wǎng)等。智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡的通信技術分為有線技術和無線技術。事實上，有線智能家居的控制信號穩(wěn)定，但問題也非常突出，除了布線繁雜、工作量大、維護困難以外，本錢高、不易組網(wǎng)也是不小的難題。例如，主人想再添加點智能設備，就要重新扒開墻體，埋入線路，確實麻煩。這些缺點最終導致有線方式的智能家居只停留在概念和試點階段，無法大規(guī)模推廣。很顯然，這種通過有線方式連接控制信號的智能家居，不具有較強的市場前途和開展?jié)摿?。相較之下，無線智能家居那么逐漸占據(jù)市場主流地位。主要原因在于，這種智能家居無需紛繁復雜的網(wǎng)絡布線；自動組網(wǎng)、設備擴展性強；功耗低，本錢低，符合現(xiàn)代綠色生活理念；維修效勞及時，能夠準確地檢測故障并修復。下面將重點概述幾種比擬通用的短距離低功率的無線通信技術，對各種技術進行分析和比擬。紅外技術是一種點對點的數(shù)據(jù)通信技術，通訊距離一般在1米以內(nèi)。由于紅外線的傳輸不受無線電干擾，本錢低，因此應用范圍很廣，家庭內(nèi)部主要表達在家用電器的紅外遙控、以及電子產(chǎn)品提供的紅外傳輸接口等。但是要對準方向，且中間不能有障礙物，無法控制信息傳輸?shù)倪M度。2.藍牙，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、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。利用“藍牙〞技術，能夠有效地簡化移動通信終端設備之間的通信，也能夠成功地簡化設備與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。由于藍牙的本錢比擬昂貴，使得其在大規(guī)模家居控制中的應用受到很大的限制。3.RFID技術，即射頻識別技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據(jù)，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸。RFID技術可以用于家庭內(nèi)部的移動物體的感應、靜態(tài)物體的信息獲取等，通信距離最遠可達30米，數(shù)據(jù)傳輸速率和RFID標簽信息長度、編碼方式及每秒鐘要求讀取標簽次數(shù)有關。我國為RFID使用頻率劃分了雙頻段:920MHz～925MHz、840MHz～845MHz。但由于目前制造技術復雜、生產(chǎn)本錢高、標準尚未統(tǒng)一等原因，RFID技術在智能家居應用中大規(guī)模使用的環(huán)境不很成熟。4.ZigBee技術是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議規(guī)定的一種短距離、低功耗無線通信技術。其突出特點是近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低本錢，具有自組網(wǎng)和自恢復能力。基于ZigBee的無線網(wǎng)絡使用的工作頻段為868MHZ、915MHZ和2.4GHZ，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，通信距離在10米~100米。ZigBee技術是一種比擬完善的近距離低速率雙向無線通信技術，適合控制信息的發(fā)送和接收。按照ISO模型，ZigBee網(wǎng)絡分為4層從上向下分別為物理層〔PHL〕、網(wǎng)絡層〔NWK〕、媒體訪問控制層〔MAC〕和應用層〔APL〕。如圖2所示。應用層應用層網(wǎng)絡層MAC層物理層ZigBee聯(lián)盟圖2ZigBee網(wǎng)絡分層5.超寬帶技術UWB〔ultrawideband〕是一種無線載波通信技術。它采用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬。由于UWB可以利用低功耗、低復雜度發(fā)射/接收機實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，適用于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入。但是從目前實際情況下，UWB可能會干擾其他無線通信系統(tǒng)，該技術在智能家居方向的應用也有待考量。2.2.5物聯(lián)網(wǎng)與智能家居近年來，物聯(lián)網(wǎng)成為全球關注的熱點領域，被認為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后最重大的科技創(chuàng)新。物聯(lián)網(wǎng)通過射頻識別〔RFID〕、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。物聯(lián)網(wǎng)的開展也為智能家居引入了新的概念及開展空間，智能家居可以被看作是物聯(lián)網(wǎng)的一種重要應用。物聯(lián)網(wǎng)為家居智能化提供了技術條件，使智能家居成為可能，表現(xiàn)在：物聯(lián)網(wǎng)所包括的自動感知技術、傳感器技術、計算機技術、網(wǎng)絡通訊技術、信息協(xié)議交換、嵌入式技術等，使得物品具有數(shù)據(jù)化的身份標識，借助家庭網(wǎng)關，數(shù)據(jù)可以電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)上對內(nèi)和對外的流動。智能家居是物聯(lián)網(wǎng)技術應用生活的具體表現(xiàn)，使一個抽象概念轉(zhuǎn)變成現(xiàn)實應用。物聯(lián)網(wǎng)的技術推廣成為推動智能家居開展的催化劑，智能家居系統(tǒng)逐步朝著網(wǎng)絡化、信息化、智能化方向開展，智能終端設備的產(chǎn)品也逐步走向成熟，尤其以ZigBee為代表的先進技術應用，使得物聯(lián)網(wǎng)通信技術往無線方向開展，也從一定程度上降低了產(chǎn)品的本錢，更容易推廣和接受。傳統(tǒng)的智能家居雖然也具備一定的系統(tǒng)性，提供了諸多應用，但是沒有突出與互聯(lián)網(wǎng)技術、感知技術的有機融合。把物聯(lián)網(wǎng)技術應用于家庭環(huán)境，實現(xiàn)對智能家居系統(tǒng)的全面提升。智能家居在我國已經(jīng)開展十多年的時間，但是智能家居行業(yè)還沒有開展到一定的規(guī)模，物聯(lián)網(wǎng)作為一個新的經(jīng)濟增長點，受到各興旺國家和新興經(jīng)濟體國家的大力推崇，智能家居行業(yè)作為物聯(lián)網(wǎng)的一個重要組成局部將會受到了社會各界前所未有的關注，對智能家居行業(yè)的廠商來說將迎來難得的開展機遇。2.3Zigbee技術Zigbee是無線通信技術的一種典型代表，它在檢測和控制方面有廣闊空間，而且本身具有近距離、低復雜度、低功耗、低傳輸速率、低本錢的絕對優(yōu)勢，這些與智能家居系統(tǒng)對家庭網(wǎng)絡技術的要求不謀而合，已經(jīng)確定了其取代有線組網(wǎng)，成為無線組網(wǎng)的最正確選擇的地位；另一方面，市場上存在很多能夠支持ZigBee技術的芯片，例如TI公司的CC2430、CC2530、CCll01，飛思卡爾公司的MCl3XX系列等，廉價的價格，能大大地降低得智能家居系統(tǒng)的本錢，因此高額的性價比最有可能被百姓接受。ZigBee是一個由可多到65000個無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡平臺，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，每一個ZigBee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡節(jié)點間的距離可以從標準的75m無限擴展。與移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點。每個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點(FFD)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承當網(wǎng)絡信息中轉(zhuǎn)任務的孤立的子節(jié)點(RFD)無線連接。ZigBee技術主要用于低數(shù)據(jù)傳輸速率并且傳輸距離要求不是很遠的各種通信設備之間。ZigBee的名字主要來源于蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來傳遞所發(fā)現(xiàn)的食物的位置、距離和方向等信息，一只一只的傳遞下去，此種技術與蜜蜂的這種通信方式相類似。ZigBee聯(lián)盟那么于2001年成立，而在2002年下半年，以及四大半導體公司共同宣布加盟ZigBee技術聯(lián)盟，以研發(fā)名為“ZigBee〞的新一代無線通信標準，而在2006年作為中國通信行業(yè)龍頭的華為公司亦參加了此聯(lián)盟。截至目前，該聯(lián)盟大約已有約27家成員企業(yè)，所有這些公司都參加了負責開發(fā)ZigBee協(xié)議物理層和媒體控制層技術標準的工作組。ZigBee聯(lián)盟負責開發(fā)網(wǎng)絡層及以上的協(xié)議。ZigBee協(xié)議那么比藍牙技術、高速率個人區(qū)域網(wǎng)或802.11x無線局域網(wǎng)等技術更簡單而實用。ZigBee使用的是波段，采用了跳頻技術，這和藍牙技術相似，可以說是同族兄弟了。但相比之下，ZigBee協(xié)議比藍牙更簡單、速率更慢、功率及費用也更低。ZigBee的根本速率是，傳輸半徑可擴大到400米，并可得到更低的功耗和更高的可靠性。此外，單個ZigBee無線模塊就可與254個節(jié)點互聯(lián)，假設網(wǎng)絡中參加路由節(jié)點，那么網(wǎng)絡最大承載量可支持65535個節(jié)點設備互聯(lián)。由于它的低延遲和低功耗性能優(yōu)越性，所以在支持鼠標、鍵盤等電腦周邊產(chǎn)品和家庭自動化儀器等低速率應用時可以比藍牙做地更好，人們更希望能在無線玩具、傳感器網(wǎng)絡、家庭監(jiān)控、工業(yè)監(jiān)控和平安系統(tǒng)等眾多領域拓展ZigBee的應用。ZigBee網(wǎng)絡采用的是無線自組織網(wǎng)絡技術，與蜜蜂的通信類似，網(wǎng)絡中的各個節(jié)點間通信以一跳或多跳的形式自動建立網(wǎng)絡。網(wǎng)絡節(jié)點那么以ZigBee協(xié)議為根底進行通信，與各種傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡相比，其主要優(yōu)點有以下幾個方面。(1)網(wǎng)絡穩(wěn)定性好。其設計的網(wǎng)絡自己組織性能使網(wǎng)絡各個節(jié)點在無需人工干預的情況下自己組網(wǎng)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?，當添加或去除網(wǎng)絡中某個節(jié)點時，其余節(jié)點可以自行尋找其他節(jié)點替代中轉(zhuǎn)信息，具有較強網(wǎng)絡自愈能力。(2)本錢低。由于ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)有二十多家，他們的研發(fā)實力都很強，好多公司均已在2003年正式推出自己的ZigBee芯片，競爭較大，近年來應用于主機端的芯片本錢將會比藍牙等模塊更具價格上的優(yōu)勢。(3)功耗低。它的超低功耗也使得在應用中兩節(jié)普通AAA干電池即可使用6個月至2年的時間，這也是ZigBee的最大的一個優(yōu)勢。(4)網(wǎng)絡容量大。每個ZigBee設備可以與另外254臺節(jié)點設備相連接，而參加路由節(jié)點的ZigBee網(wǎng)絡最多可容納多達65000多個節(jié)點的網(wǎng)絡。(5)數(shù)據(jù)傳輸速率低。只有10kb/s—250kb/s，符合本設計需求。(6)工作頻段靈活。使用的頻段中2.4GHz全世界通用，歐洲使用868MHz，美國那么使用915MHz頻段，但這些均是免申請頻段，可以直接使用。(7)網(wǎng)絡延遲時間短?；顒釉O備信道接入延時和休眠激活延時均僅為15ms，而搜索設備延時時間到達30ms。根據(jù)ZigBee聯(lián)盟所設定的技術標準，按功能分其網(wǎng)絡設備劃分為三種：ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee路由器，ZigBee終端設備。他們的功能分別如下?！?〕ZigBee協(xié)調(diào)器：它是個全功能的設備，包含所有的網(wǎng)絡功能，是3種設備中功能最全面亦最復雜的一種，特點是計算能力強、存儲量大。它的作用是發(fā)送網(wǎng)絡信標、建立并且管理一個網(wǎng)絡及網(wǎng)絡節(jié)點、存儲節(jié)點信息并且不斷地接收下級節(jié)點所發(fā)來的信息?！?〕ZigBee路由器：它也是全功能設備在參加網(wǎng)絡后，協(xié)調(diào)器就會分配給它一定量的十六位地址空間，再由其分別分配給下級節(jié)點使用，方便每個節(jié)點接入或離開網(wǎng)絡，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及路由之功能?！?〕ZigBee終端設備：其一般的簡化的功能設備。只能自己的與上一級如協(xié)調(diào)器或路由器之間通信，包括獲取網(wǎng)絡地址等。在ZigBee協(xié)議標準中，組網(wǎng)時有三種網(wǎng)絡拓撲結構可供選擇：星型結構，網(wǎng)狀結構和簇樹型結構，圖3所示。圖3ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構圖在星狀結構中無論是路由器或終端設備都是直接與協(xié)調(diào)器進行通信，在ZigBee協(xié)調(diào)器那么負責運作與維護著整個網(wǎng)絡；在簇狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構中，協(xié)調(diào)器負責初始化和建立網(wǎng)絡的操作，而路由器那么對網(wǎng)絡進行擴展，終端設備的信息由路由器進行轉(zhuǎn)發(fā),只不過在簇狀結構中終端間的信息交換只能通過一級級向上傳遞到協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將信息分發(fā)下去。ZigBee聯(lián)盟在協(xié)議根底之上，規(guī)定了ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡層與應用層協(xié)議標準。下面就網(wǎng)絡層與應用層作簡要介紹。ZigBee網(wǎng)絡層的主要功能就是確保正常工作，同時定義了一些必須的函數(shù)，并且為應用層提供適合的效勞接口。網(wǎng)絡層提供了兩個必須的功能效勞實體來向應用層提供效勞接口，它們分別是管理效勞實體和數(shù)據(jù)效勞實體。應用層主要由用戶根據(jù)具體的應用進行自我開發(fā)，用以維持節(jié)點的各種功能，發(fā)現(xiàn)此節(jié)點工作空間范圍內(nèi)其他節(jié)點的工作，再根據(jù)效勞的需求為各個不同的節(jié)點提供通信效勞。ZigBee應用層有三個不同的局部分別是：應用支持子層、ZigBee設備對象和制造商定義的應用對象第三章智能家居系統(tǒng)方案設計3.1系統(tǒng)的需求分析智能家居系統(tǒng)為住戶提供全方位的信息交換功能，幫助家庭和外部、使用者與家庭環(huán)境之間保持信息交流暢通，優(yōu)化人們的生活方式。一個完整的智能家居系統(tǒng)需要解決的問題包括：家電的遠程控制即隨時隨地實現(xiàn)對家電的控制，方便用戶不在家時對家電進行操作；智能照明即能對燈光進行集中和遠程控制，提供舒適的照明體驗；電動門窗即對電動鎖、電動窗簾的遠程控制，確保家庭環(huán)境的平安，隨時調(diào)節(jié)家庭的光照；安防報警即通過視頻監(jiān)控和報警器隨時監(jiān)視家庭的平安狀況；環(huán)境信息采集即對溫度和濕度采集，隨時隨地的感知家庭的環(huán)境信息。目前智能家居系統(tǒng)雖然大局部都能解決以上的問題，但是存在的問題有：需要專業(yè)人員施工，專門公司維護，施工周期長，施工費用高，系統(tǒng)靈活性差，功能華而不實，維護維修難，擴展能力低，很多工程建成后用戶根本無法更新升級。物聯(lián)網(wǎng)一個根本特征就是無處不在、無所不知。物聯(lián)網(wǎng)的目標是開展綠色全無線技術，包括感知、通訊等等不僅要求極低功耗，而且要求全無線覆蓋、高可靠連接、強平安通訊、大規(guī)模組網(wǎng)、會自我修復?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)的特點：安裝簡單，使用方便，維護不用操心，具有較強的靈活性和實用性、擴展隨心所欲，移植性好。設計原那么為以下幾點：1.滿足人們在方便性和舒適度方面的要求。2.高性價比。要充分考慮系統(tǒng)的性能和價格的要求，盡量降低本錢。3.通用性。要選擇兼容性好，符合國際通用協(xié)議的技術。4.可擴展性。每個家庭的設備類型和個數(shù)不同，同樣的家庭內(nèi)的設備會更行換代，必須保證系統(tǒng)能方便的進行增加和刪除，設備識別。5.可移動性。必須保證設備在家庭內(nèi)部的移動不受距離的限制，實現(xiàn)無盲區(qū)的數(shù)據(jù)傳輸。6.平安性。包括系統(tǒng)運行過程的平安性和耐久性。3.2系統(tǒng)的硬件設計本系統(tǒng)主要由終端子節(jié)點、ZigBee路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點、中央控制單元、GSM/GPRS和以太網(wǎng)通信單元等局部組成。中央控制器是該系統(tǒng)的核心，采用高性能、低本錢、低功耗的32位ARMCortex-M3內(nèi)核增強型處理器STM32F103R6芯片。智能家居系統(tǒng)總體設計如圖4所示。圖4系統(tǒng)結構框圖根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的結構，本系統(tǒng)由三層構架組成。第一層數(shù)據(jù)感知層，由各類傳感器搭載ZigBee無線通信模塊組成終端子節(jié)點，終端子節(jié)點將采集到的信息通過ZigBee無線通信模塊傳送給路由節(jié)點，由路由節(jié)點再將信息傳遞給ZigBee協(xié)調(diào)器；同樣，當工作站或者運行平臺發(fā)出命令時也是通過路由節(jié)點傳遞到各個終端設備。第二層網(wǎng)絡層，在該層中央控制器是核心，在系統(tǒng)中承當網(wǎng)絡中繼的作用，主要實現(xiàn)協(xié)調(diào)器融合的內(nèi)部網(wǎng)絡信息與外部網(wǎng)絡之間通信構建物聯(lián)網(wǎng)。在該層通過ZigBee收發(fā)模塊實現(xiàn)采集終端的數(shù)據(jù)和前端設備通信，通過GSM或者網(wǎng)絡形式實現(xiàn)與用戶通信，從而實現(xiàn)人與物之間的互聯(lián)。第三層應用效勞層，借助GSM/GPRS網(wǎng)絡可以將采集信息傳送至手持設備、PC客戶端，實現(xiàn)用戶的遠程監(jiān)測和控制，為用戶提供一個人機交互平臺。3.2.1家居檢測模塊該模塊由ZigBee無線通信模塊和傳感器組成，傳感器主要完成數(shù)據(jù)的采集。將溫濕度傳感器SHT11、煙霧傳感器MQ-6、氣敏傳感器TGS813和開關型可見光照強度傳感器ON9668連接到CC2530的P2.0-P2.4口上，實現(xiàn)家居環(huán)境檢測。3.2.2紅外監(jiān)測模塊該模塊采用豪恩公司的普通雙源被動紅外傳感器LH-912E安裝在室內(nèi)，當有人員入侵時進行判斷報警。該探測器采用紅外融合微波技術，可以準確無誤的判斷并實現(xiàn)報警。3.2.3家居控制模塊家居控制模塊主要完成燈光、空調(diào)和門窗的遠程控制。燈光控制可以使用戶通過控制移動設備完成對各燈具的開關、調(diào)光等操作。該模塊由AT89C52和光敏電阻、熱釋電傳感器和繼電器驅(qū)動構成。ZigBee無線收發(fā)模塊通過串口方式與燈具控制器相連，可將采集到的信息傳送到用戶，用戶通過即可控制燈光系統(tǒng)?？照{(diào)遠程控制模塊實現(xiàn)用戶通過即可遠程控制空調(diào)。但是在現(xiàn)今空調(diào)采用HBS總線方式，利用HBS總線通信模塊MM1192將空調(diào)控制器進行改良,進而實現(xiàn)對空調(diào)系統(tǒng)的遠程控制。3.2.4無線通信模塊本設計采用美國TI公司生產(chǎn)的CC2530射頻芯片來完成ZigBee組網(wǎng)通信。CC2530是一款內(nèi)部具有增強型8051微控制器內(nèi)核的無線微型控制器，它兼容2.4GHz、IEEE802.15.4協(xié)議和ZigBee技術的片上芯片，擁有128KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存和8KBRAM；具有強大的5通道DMA，低功耗、低電流等特點。CC2530與STM32處理器連接也很簡單，電路如圖5所示。圖5無線通信模塊3.2.5GSM/GPRS通訊模塊通訊模塊采用Siemens公司的新一代GSM/GPRS雙頻模塊MC35i，該模塊外圍電路簡單，工作頻段可以是900MHz和1800MHz兩個頻段。該模塊集成基帶處理器和射頻電路，微處理器通過該模塊的異步串行收發(fā)器與其交互。MC35i需要外接天線，而且自帶SIM接口，硬件連接如圖6所示。圖6MC35i硬件電路圖3.3系統(tǒng)的軟件設計系統(tǒng)軟件設計采用模塊化的編程思想進行，包括主程序、終端采集子程序、ZigBee無線通信子程序、RS232通信子程序。當系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)根據(jù)當前狀態(tài)進行分析，如果正常執(zhí)行各局部子程序，當有警報發(fā)生時，系統(tǒng)翻開GSM/GPRS通訊模塊進行報警。系統(tǒng)是基于ARM嵌入式的開發(fā)平臺進行的，采用模塊式設計結構。圖7系統(tǒng)總體流程圖在系統(tǒng)中，Zigbee協(xié)調(diào)器負責啟動網(wǎng)絡，根據(jù)情況選擇適宜的信息組建網(wǎng)絡，同時，通過串口與中央控制器相連，實現(xiàn)信息會聚和用戶命令向下發(fā)放，Zigbee協(xié)調(diào)器是系統(tǒng)的橋梁。Zigbee協(xié)調(diào)器軟件流程如圖8所示。圖8協(xié)調(diào)器軟件流程圖3.4系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構通過對智能家居系統(tǒng)的功能研究與設計，本系統(tǒng)將智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構分為三個局部：遠程控制網(wǎng)絡、家庭網(wǎng)關及家庭內(nèi)部網(wǎng)絡。圖9為智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲家庭內(nèi)部網(wǎng)絡是物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的感知層的具體實現(xiàn)，是互連家庭內(nèi)部各種電器、設備的局域網(wǎng)，提供信息數(shù)據(jù)傳輸和設備管理功能。家庭網(wǎng)關是連接家庭內(nèi)部網(wǎng)絡和遠程控制網(wǎng)絡的網(wǎng)絡連接設備，是整個智能家居網(wǎng)絡的核心，集中協(xié)調(diào)家居網(wǎng)絡中的各個設備的運行。遠程控制網(wǎng)絡主要負責通過互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡通信協(xié)議與家庭網(wǎng)關進行通信，傳遞家庭內(nèi)部的狀態(tài)信息，發(fā)送家電的控制信息。第四章遠程控制客戶端的設計與實現(xiàn)4.1客戶端的功能與結構遠程控制端即客戶端，它通過發(fā)送控制命令對智能家電進行控制，必要時反應信息給用戶，同時通過監(jiān)測安防設備，發(fā)現(xiàn)異常及時提供報警及存儲報警信息?？蛻舳朔譃槲鍌€功能模塊：用戶信息管理、家電管理模塊、家庭安防模塊、情景模式模塊及系統(tǒng)狀態(tài)模塊。其中：●用戶信息管理模塊主要實現(xiàn)用戶身份的認證，以保證家庭信息的平安?！窦译姽芾砟K主要實現(xiàn)對設備的自動識別，對房間和房間內(nèi)的設備進行管理，獲取用戶的控制命令，通過網(wǎng)絡發(fā)送控制命令。●家庭安防模塊主要是為了通過發(fā)送報警器控制命令，控制報警器的開啟與關閉，獲取報警信息，發(fā)出報警信息以通知用戶。●情景模式模塊主要是為了實現(xiàn)用戶通過選取預先定義好的各種家居設備組合工作模式和裝填，改變家庭內(nèi)部的狀態(tài)?！窦彝キh(huán)境信息采集模塊主要是為了獲取當前家庭環(huán)境信息，以供用戶查詢。本次設計的客戶端主要是在PC機客戶端，開發(fā)工具為VC++6.0。4.2客戶端網(wǎng)絡通信的設計與實現(xiàn)本次設計的客戶端的網(wǎng)絡通信是基于TCP連接的，網(wǎng)絡程序的設計接口是采用WindowsSockets。基于TCP的CSocket編程的客戶端的程序流程是：創(chuàng)立套接字。首先，創(chuàng)立一個套接字對象，然后利用Create()函數(shù)創(chuàng)立一個根本的套接字句柄。Create函數(shù)原型如下：BOOLCreate(UINTnSocketPort,intnSocketType,LPCTSTRlpszSocketAddress);//創(chuàng)立套接字函數(shù)，初始化套接字對象，對客戶端編程時選用默認值即可。〔2〕向效勞器發(fā)出連接請求。利用Connect()函數(shù)向效勞器發(fā)送連接請求。Connect函數(shù)原型如下：BOOLConnect(LPCTSTRlpszHostAddress,UINTnHostPort);//第一個參數(shù)為效勞器的IP地址，第二個參數(shù)為端口號。本次設計的效勞器地址要求用戶手動輸入，端口號為5000.〔3〕效勞器端進行數(shù)據(jù)通信。利用Send()函數(shù)向效勞器發(fā)送數(shù)據(jù)，利用Recv()函數(shù)接收來自效勞器的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與效勞器的數(shù)據(jù)通信。函數(shù)原型如下：intPASCALFARsend(SOCKETs,constcharFAR*buf,intlen,intflags);intPASCALFARrecv(SOCKETs,charFAR*buf,intlen,intflags)；//s為連接套接字，buf為數(shù)據(jù)，len為數(shù)據(jù)長度，在本次設計中數(shù)據(jù)長度均為32位?！?〕關閉套接字。利用Close()在通信結束后，關閉套接字。4.3數(shù)據(jù)庫的設計與實現(xiàn)本次設計的客戶端具有添加房間、刪除房間、在房間內(nèi)添加和刪除設備的功能，當用戶進行這些操作后，下次啟動客戶端，需仍能看到上次進行的修改。為此，客戶端的需要對設備的物理地址、設備名以及設備所在的房間號、房間名進行存儲。因此本系統(tǒng)用到Access2007數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中建立了一個設備管理表用以存放數(shù)據(jù)。對應的表格內(nèi)容如表1所示。表1設備信息表4.4各功能模塊的設計與實現(xiàn)4.4.1用戶信息管理模塊設計與實現(xiàn)家庭遠程控制中心可以對家電進行操作，能對家庭信息進行查詢，這些操作只允許家庭內(nèi)部成員進行，所以需要權限認證。用戶信息管理模塊主要是為了實現(xiàn)對用戶身份信息的認證，來保證家庭信息的平安。用戶信息管理模塊需