物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的研究

1、物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的研究摘要：從技術(shù)上理解，物聯(lián)網(wǎng)是指物體通過(guò)智能感應(yīng)裝置，經(jīng)過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)，到達(dá)指定的信息處理中心，最終實(shí)現(xiàn)物與物、人與物之間的自動(dòng)化信息交互與處理的智能網(wǎng)絡(luò)。從應(yīng)用上理解，物聯(lián)網(wǎng)是指把世界上所有的物體都連接到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，形成“物聯(lián)網(wǎng)”，然后“物聯(lián)網(wǎng)”又與先有的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)與物理系統(tǒng)的整合，達(dá)到更加精細(xì)和生動(dòng)的方式管理生產(chǎn)和生活。智能家居通過(guò)家居智能管理系統(tǒng)的設(shè)施來(lái)實(shí)現(xiàn)家庭安全、舒適、信息交互與通信的能力。關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 智能家居 無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 射頻信號(hào)發(fā)射器1物聯(lián)網(wǎng)的概念物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱為“Internet of Things”，簡(jiǎn)稱：IOT。從字面上解釋，物聯(lián)網(wǎng)就是“

2、物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”?？梢詮膬煞矫嫒ダ斫猓浩湟?，物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上的延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)；其二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的定義到現(xiàn)在還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義。有一個(gè)較為普遍認(rèn)同的定義是物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等各種信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。2 物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)2.1 RFID技術(shù)RFID(Radio Frequency Identification)，即射頻識(shí)別，俗稱電子

3、標(biāo)簽。RFID射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無(wú)須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽，操作快捷方便。 RFID是一種簡(jiǎn)單的無(wú)線系統(tǒng)，只有兩個(gè)基本器件，該系統(tǒng)用于控制、檢測(cè)和跟蹤物體。一套完整的RFID系統(tǒng), 是由閱讀器(Reader)與電子標(biāo)簽(TAG)也就是所謂的應(yīng)答器(Transponder)及應(yīng)用軟件系統(tǒng)三個(gè)部分組成, 其工作原理是Reader 發(fā)射一特定頻率的無(wú)線電波能量給Transponder, 用以驅(qū)動(dòng) Transponder電路將內(nèi)部的數(shù)據(jù)送出，此時(shí) Reader 便依序接

4、收解讀數(shù)據(jù), 送給應(yīng)用程序做相應(yīng)的處理。2.2 WSN技術(shù)WSN是Wireless Sensor Network的簡(jiǎn)稱，即無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。它是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。2.3 傳感器溫度傳感器是一種將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化裝置。將溫度變化轉(zhuǎn)換為熱電勢(shì)變化的稱熱電偶傳感器。將溫度變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的稱為熱電阻傳感器；金屬熱電阻式傳感器簡(jiǎn)稱為熱電阻，半導(dǎo)體熱電阻式傳感器簡(jiǎn)稱為熱敏電阻。溫度傳感在

5、工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、民用生活等許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。電阻式傳感器廣泛被用于-200960范圍內(nèi)的溫度，是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而變化的性質(zhì)工作的，用儀表測(cè)量出熱電阻的阻值變化，從而得到與電阻值對(duì)應(yīng)的溫度值。電阻式傳感器分為金屬熱電阻傳感器和半導(dǎo)體熱電阻傳感器兩大類。前者稱為熱電阻，后者稱為熱敏電阻。2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)在數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)方面應(yīng)用廣泛。在國(guó)際物聯(lián)網(wǎng)方面，美、德、荷、日等國(guó)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展已進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)應(yīng)用和生產(chǎn)自動(dòng)化控制等新階段。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)粗放的作業(yè)方式，已經(jīng)初步形成了信息農(nóng)業(yè)發(fā)展的技術(shù)體系實(shí)現(xiàn)了相關(guān)軟硬件產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化拓展。

6、物聯(lián)網(wǎng)可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品的實(shí)用性。2.5 安全技術(shù)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)層的安全和業(yè)務(wù)層的安全是相互獨(dú)立的，而物聯(lián)網(wǎng)的特殊安全問(wèn)題很大一部分是由于物聯(lián)網(wǎng)是在現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上集成了感知網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用平臺(tái)帶來(lái)的。因此，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中的大部分機(jī)制仍然可以應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)并能夠提供一定的安全性，如認(rèn)證機(jī)制、加密機(jī)制等。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用廣泛，下面以智能家居為例對(duì)物聯(lián)網(wǎng)作分析。3 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)依據(jù)全面感知、可靠傳遞、智能處理的功能需求，可劃分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三個(gè)層次。 感知層 感知層包括各類搭載了ZiBee無(wú)線通信模塊的家用電器、照明設(shè)備和安防設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境的全面感知，并由

7、智能家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)感知層和網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)交互。 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層包括一臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和一臺(tái) Web 站點(diǎn)服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于同家庭數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互； Web 站點(diǎn)服務(wù)器通過(guò)訪問(wèn)上述數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)信息，并通過(guò) Web 站點(diǎn)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上。 應(yīng)用層應(yīng)用層包括各類搭載了 Web 瀏覽器的終端設(shè)備，用戶可通過(guò) Web 瀏覽器訪問(wèn)上述站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居系統(tǒng)的管理和控制。智能家居系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖 1 所示。圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu) 圖2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)的硬件主要包括無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器等的設(shè)計(jì)，具體介紹如下。首先，對(duì)處于感知層的 ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)

8、計(jì)，包括多個(gè) ZigBee 終端 /路由節(jié)點(diǎn)和一個(gè) ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。通過(guò)在家居設(shè)備節(jié)點(diǎn)上搭載上述 ZigBee通信控制節(jié)點(diǎn)，將散布在家庭環(huán)境中的各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)各類家居設(shè)備的連接以及智能化。其中，ZigBee 協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和路由維護(hù)，并實(shí)時(shí)地將無(wú)線傳感網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)上傳給監(jiān)控用 PC，同時(shí)接收并轉(zhuǎn)發(fā)由上述監(jiān)控用 PC 發(fā)送來(lái)的控制數(shù)據(jù)。然后，將上述監(jiān)控 PC 機(jī)通過(guò) WiFi 或以太網(wǎng)，與 Internet 路由器相連接組成家庭智能網(wǎng)關(guān)。其中，PC 機(jī)在數(shù)據(jù)下行側(cè)與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器通過(guò) RS-232 串行通信接口相連接； 路由器在數(shù)據(jù)

9、上行側(cè)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)相連接，通過(guò)“PC 機(jī) + 路由器”的模式實(shí)現(xiàn)了連接傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)間的網(wǎng)關(guān)功能。通過(guò)上述“PC 機(jī) + 路由器”的模式，實(shí)現(xiàn)了連接傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)間的網(wǎng)關(guān)功能。同時(shí)，在互聯(lián)網(wǎng)中搭建一個(gè)基于 Microsoft SQLSever 2005 的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，用于與上述路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析處理和存儲(chǔ)； 另外搭建一個(gè)基于NET 框架的Web站點(diǎn)服務(wù)器，通過(guò)訪問(wèn)上述數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器獲得實(shí)時(shí)的家居環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過(guò)Web站點(diǎn)發(fā)布給用戶；接著將在Web頁(yè)面上接收到的用戶指令交遞給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。最終，遠(yuǎn)程用戶通過(guò)各類搭載了Web瀏覽器的終端設(shè)備訪問(wèn)Web站點(diǎn)，以實(shí)

10、現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的監(jiān)視和控制。整個(gè)系統(tǒng)主要由無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控用 PC、路由器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、Web 站點(diǎn)服務(wù)器以及各類終端設(shè)備組成，系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖 2 所示。5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)位于智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，匯聚了由感知層傳來(lái)的各類節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。為了將眾多數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的歸納匯總，并且最終實(shí)現(xiàn)智能的分析管理，就需要用到數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)是一個(gè)通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)管理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，具有數(shù)據(jù)安全性控制、數(shù)據(jù)完整性控制、并發(fā)控制以及故障發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)等功能，能夠?qū)Υ鎯?chǔ)在計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)集合提供高效、靈活的訪問(wèn)方式。本系統(tǒng)采用 Microsoft SQL Sever 2005 作為數(shù)

11、據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，并通過(guò)設(shè)計(jì)用戶信息管理模塊、設(shè)備信息及活動(dòng)狀態(tài)管理模塊和漢英互譯模塊三個(gè)模塊，來(lái)滿足智能家居應(yīng)用的具體需求。用戶信息管理模塊包括一張存儲(chǔ)用戶 ID、用戶登錄名、登錄密碼、訪問(wèn)權(quán)限以及計(jì)費(fèi)信息的表單。計(jì)費(fèi)信息表單以用戶 ID 作為主鍵，每個(gè)用戶 ID 對(duì)應(yīng)一條不重復(fù)的記錄。用戶只有在通過(guò)認(rèn)證后才能登陸 Web站點(diǎn)并獲取數(shù)據(jù)服務(wù)，同時(shí)依據(jù)其具有的訪問(wèn)權(quán)限對(duì)自有設(shè)備進(jìn)行管理和控制，并且按照一定的計(jì)費(fèi)方法支付給服務(wù)提供商費(fèi)用。設(shè)備信息及活動(dòng)狀態(tài)管理模塊由四張表單組成，分別為節(jié)點(diǎn)信息注冊(cè)表、設(shè)備實(shí)時(shí)活動(dòng)狀態(tài)記錄表、設(shè)備歷史活動(dòng)記錄表和節(jié)點(diǎn)類型記錄表。 節(jié)點(diǎn)信息注冊(cè)表，它用于保存節(jié)點(diǎn)的靜態(tài)描

12、述信息，包括節(jié)點(diǎn) ID、節(jié)點(diǎn)類型和節(jié)點(diǎn)所有者等信息。該表單使用節(jié)點(diǎn) ID 作為主鍵，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)節(jié)點(diǎn) ID 對(duì)應(yīng)一條不重復(fù)的記錄，用于記錄節(jié)點(diǎn)的各種基本屬性。 設(shè)備實(shí)時(shí)活動(dòng)狀態(tài)記錄表，它用于保存節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)描述信息，即節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的活動(dòng)狀態(tài)信息，包括節(jié)點(diǎn)ID、當(dāng)前指令執(zhí)行內(nèi)容、當(dāng)前指令執(zhí)行狀態(tài)和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)活動(dòng)狀態(tài)。該表使用節(jié)點(diǎn) ID 作為主鍵，每個(gè)裝置節(jié)點(diǎn)通過(guò)節(jié)點(diǎn) ID 對(duì)應(yīng)一條不重復(fù)的記錄，并根據(jù)感知層發(fā)送上來(lái)的信息對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。 設(shè)備歷史活動(dòng)記錄表，它用于保存節(jié)點(diǎn)的歷史活動(dòng)信息，包括節(jié)點(diǎn) ID、節(jié)點(diǎn)歷史事件時(shí)間記錄和節(jié)點(diǎn)歷史事件內(nèi)容記錄。該表使用節(jié)點(diǎn) ID 作為主鍵，每個(gè)裝置節(jié)點(diǎn)通過(guò)節(jié)點(diǎn) ID

13、 對(duì)應(yīng)多條不重復(fù)的歷史活動(dòng)記錄，以備數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)訪問(wèn)調(diào)取。 節(jié)點(diǎn)類型記錄表，它用于保存不同類型節(jié)點(diǎn)的能力描述信息和指令集信息，包括節(jié)點(diǎn)類型和節(jié)點(diǎn)可執(zhí)行指令。該表單以節(jié)點(diǎn)類型為主鍵，每個(gè)節(jié)點(diǎn)類型對(duì)應(yīng)多條不重復(fù)的記錄，每條記錄對(duì)應(yīng)一條不同的可執(zhí)行指令，如照明類型節(jié)點(diǎn)需要有開關(guān)指令和亮度調(diào)節(jié)指令，空調(diào)設(shè)備需要有模式控制和溫度設(shè)定等指令。在感知層和網(wǎng)絡(luò)層的信息及指令交互過(guò)程中，為了便于各個(gè)功能模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以及轉(zhuǎn)發(fā)操作，系統(tǒng)內(nèi)部均采用了英語(yǔ)作為交互語(yǔ)言； 而在通過(guò) Web頁(yè)面向用戶呈現(xiàn)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)及接收用戶控制指令時(shí)又需要將上述信息進(jìn)行漢化，故設(shè)計(jì)了英漢互譯模塊。英漢互譯模塊包括一張用于英漢互譯的漢

14、英字符串互譯對(duì)照表。該表單以英語(yǔ)字符串為主鍵，每條英語(yǔ)字符串對(duì)應(yīng)一條相應(yīng)語(yǔ)義的漢語(yǔ)字符串。為了在應(yīng)用層向用戶提供更為直觀的數(shù)據(jù)服務(wù)，需要將這些數(shù)據(jù)在 Web 頁(yè)面顯示時(shí)進(jìn)行漢化。6 物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)場(chǎng)景 盡管物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在還存在著的一些問(wèn)題，但我們依然認(rèn)為，應(yīng)用的發(fā)展是伴隨著技術(shù)的成熟而逐漸應(yīng)用到各個(gè)方面的，并不是應(yīng)用在等待技術(shù)完全成熟以后才會(huì)開始。物聯(lián)網(wǎng)可能是續(xù)互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)和綠色革命之后全球重大的科技革命，也是影響人類生產(chǎn)和生活的歷史大趨勢(shì)之一。從長(zhǎng)期角度來(lái)看，任何變革都會(huì)帶來(lái)某些產(chǎn)業(yè)的興盛和另一些產(chǎn)業(yè)的衰落；因此關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)及其影響，一方面是在物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程中尋找新的投資機(jī)會(huì)，另一

15、方面是要避免自己的投資在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程遭受損失。7 結(jié)束語(yǔ)隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，智能家居作為其中一塊應(yīng)用前景廣泛而且潛在市場(chǎng)巨大的應(yīng)用領(lǐng)域，其價(jià)值越來(lái)越引起各大廠商的關(guān)注。本文從智能家居系統(tǒng)的具體應(yīng)用需求出發(fā)，針對(duì)用戶服務(wù)訪問(wèn)設(shè)行效率，特別適合應(yīng)用于服務(wù)器和用戶信息交互頻繁的智能家居系統(tǒng)。針對(duì)管理員、普通用戶和來(lái)賓這三種不同的用戶服務(wù)訪問(wèn)設(shè)備資源有限的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于B /S架構(gòu)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)，提出了一種有效的智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式。參考文獻(xiàn)：1 方彥軍，孫健.智能儀器技術(shù)及其應(yīng)用M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社， 20032 潘永雄，沙河，劉向陽(yáng).電子線路CAD實(shí)用教程M.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，20013 余錫存，曹國(guó)華編著.單片機(jī)原理及接口技術(shù)M.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007 4 張偉，張杰.單片機(jī)原理與應(yīng)用M.北京: 機(jī)械工業(yè)出