蔡 靜

（武昌工學院信息工程系 湖北 430065）

0 引言

隨著計算機技術的不斷發(fā)展，設備智能化已經(jīng)成為了一種新型的發(fā)展趨勢，對于家庭而言，采用新型的家居智能化成為了人們追求舒適成活、安全管理以及高品位的理想生活。物聯(lián)網(wǎng)的誕生正是由于人們對于理想生活的追求。本文將通過設計出一套通過互聯(lián)網(wǎng)、移動終端網(wǎng)絡、無線傳感網(wǎng)絡構(gòu)成的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有通訊、安防、智能控制等功能，其主要通過總控主機對各個分界點進行管理控制，用戶可以通過在外部的電腦上網(wǎng)或者手機短信發(fā)送的方式，對家庭當中的空調(diào)、電冰箱、洗衣機等家用電器進行控制，并可以實現(xiàn)各個智能家居的遠程控制功能。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)可通過各種信息傳感設備，如傳感器、射頻識別（RFID）技術、全球定位系統(tǒng)、紅外感應器、激光掃描器、氣體感應器等各種裝置與技術，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，讓聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等各種信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個巨大網(wǎng)絡，實現(xiàn)智能化識別和管理。目前，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的最基礎、最核心、最廣泛的傳感單元廣泛采用ZigBee技術，只需要很少的能量，就能將信息數(shù)據(jù)以接力的方式通過無線電波在網(wǎng)絡節(jié)點之間進行傳播，通信效率非常高。這種技術具有低功耗、抗干擾、高可靠的特點，易組網(wǎng)，易擴容，易使用，易維護，便于快速大規(guī)模部署。其應用范圍包括便攜式電子設備、智能化交通管理、環(huán)境狀況監(jiān)測、智能家居、公共安防等領域。

從系統(tǒng)角度看，物聯(lián)網(wǎng)可劃分為一個由感知互動層、網(wǎng)絡傳輸層和應用服務層的3層體系。

2 智能家居系統(tǒng)

智能家居，又稱家庭自動化，是基于住宅并整合建筑、信息家電、設備自動化、網(wǎng)絡通信，集結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、管理、服務為一體的高效、安全、舒適、便利、環(huán)保、節(jié)能的居住環(huán)境；利用網(wǎng)絡通信技術、綜合布線技術、安全防范技術、音視頻技術、自動控制技術，將與家居生活有關的各個子系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起形成高度智能化的智慧家庭。智能家居系統(tǒng)是實現(xiàn)智能家居智能化的設施，主要包含八大子系統(tǒng)：家電智能控制子系統(tǒng)、家居安防控制子系統(tǒng)、家庭環(huán)境控制子系統(tǒng)、家庭能量管理（三表抄送）子系統(tǒng)、家庭自動化子系統(tǒng)、家庭信息處理子系統(tǒng)、家庭娛樂子系統(tǒng)和背景音樂子系統(tǒng)。與普通家居相比，智能家居把原來被動的靜止的家居結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成能動的智慧的智能家居工具，提供全方位的信息交換和控制功能，幫助家庭內(nèi)部與外部保持信息交流暢通，提升人們的生活方式，幫助人們有效安排時間，增強家居生活的安全性和便利性，甚至為各種能源費用節(jié)約資金。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智能家居系統(tǒng)

智能家居設計的出發(fā)點是為住戶營造一個安全、舒適、便捷、高效的生活環(huán)境。因此智能家居控制系統(tǒng)的硬件應具有一定的先進性，防止因技術進步而導致硬件系統(tǒng)過早的升級淘汰而使構(gòu)造成本增加。軟件系統(tǒng)要有良好的增長性，方便系統(tǒng)的維護與升級。智能家居先要在家居中建立一個通訊網(wǎng)絡，為家居內(nèi)數(shù)據(jù)提供必要的傳輸介質(zhì)，在家居網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的控制之下，由相應的軟、硬件執(zhí)行機構(gòu)，完成對接入家庭網(wǎng)絡當中的各種節(jié)點與設備進行監(jiān)測與控制。其次，還要透過一定的媒介，構(gòu)成與外界進行通信的信道，用來完成與家庭外的世界溝通信息，滿足監(jiān)測、遠程操控以及信息交換要求，根據(jù)系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，給出了整體的框架設計方案和軟硬件系統(tǒng)方案。

3.1 系統(tǒng)的總體框架設計

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的智能家居系統(tǒng)融合了無線傳感器網(wǎng)絡、Internet、人工智能等多種先進技術。本文采用分布式控制方式對智能家居的各部分進行統(tǒng)一的管理和控制，主要包括家電部分、環(huán)境控制（包括溫度、濕度、照明、窗簾等）、安防報警以及遠程控制操作部分。每個部分由多個通訊終端構(gòu)成，即多個節(jié)點構(gòu)成，節(jié)點之間相互獨立，也就說其中一個節(jié)點的工作與否不會影響到另一個節(jié)點的正常工作，具體的總體框圖如圖 1所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)的總體框圖

3.2 硬件系統(tǒng)的設計

首先，智能家居系統(tǒng)的硬件部分的核心就是系統(tǒng)的微控制器，主要負責采集數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、光照等?；疽缶褪牵耗軌蛱幚韴D像、聲音和數(shù)據(jù)等信息，具有長期值守的能力。所以要求其性能穩(wěn)定，處理速度快，功耗小。具有睡眠激發(fā)功能，無特殊情況設備下處于睡眠模式，可中斷或遠端喚醒?？梢赃x擇移動的 ARM系列平臺，具有豐富的外圍接口，支持嵌入式操作系統(tǒng)。其次，在智能家居系統(tǒng)中的無線傳輸網(wǎng)絡當中，可以根據(jù)需要選擇不同的無線傳輸技術。本文以Zigbee技術為例，Zigbee協(xié)調(diào)器（PAN）的任務是建立Zigbee網(wǎng)絡并進行從節(jié)點（RFD）的事物管理，還要從各個節(jié)點采集數(shù)據(jù)然后進行分析和處理，并通過串口電路與微控制器連接和通信。Zigbee協(xié)調(diào)器的射頻天線用來發(fā)送與接收電磁信號，LCD顯示模塊對界面菜單進行操作與顯示。然后，Zigbee網(wǎng)絡中的終端設備節(jié)點即探測傳感器節(jié)點，是Zigbee網(wǎng)絡的重要組成部分，它負責對各個子功能模塊的數(shù)據(jù)進行采集并發(fā)送到Zigbee協(xié)調(diào)器。

3.3 軟件系統(tǒng)的設計

圖2 智能家居系統(tǒng)操作系統(tǒng)軟件流程圖

軟件部分包括操作系統(tǒng)部分和應用程序部分，操作體統(tǒng)選用源代碼開放的uc/os-II，在進行操作系統(tǒng)移植的過程中，要修改相應的文件分別是：OS_CPU.H文件，根據(jù)不同的CPU河編譯器，需要對數(shù)據(jù)類型、常量、宏進行修改；任務的堆棧以及增長方向進行修改；還有一些匯編語言函數(shù)如OSStartHighRDY（）、OSCtxSw（）等。根據(jù)智能家居系統(tǒng)功能的劃分，軟件也應該對相應的模塊進行程序設計。包括遠程控制、安防報警功能、環(huán)境控制功能、家電信息等。不同的模塊視為一個任務，每個任務都設定不同優(yōu)先級，其中最高優(yōu)先級為安防任務，環(huán)境控制任務，遠程控制任務和家電信息任務。主程序任務主要是創(chuàng)建其他的任務，默認首先創(chuàng)建的是安防報警任務。其流程圖如圖2所示：

從圖中可以看到，系統(tǒng)上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，然后是相關的硬件系統(tǒng)初始化，在進行通信設備的初始化，然后加載嵌入式操作系統(tǒng)并進行其初始化，啟動 uc/os-II的函數(shù)OSTaskCreat（）創(chuàng)建各模塊功能任務，由于安防報警任務的優(yōu)先級最高，先得到運行權(quán)利。當有其他功能模塊任務被創(chuàng)建時候，就把安防報警任務掛起，然后運行結(jié)束退出后，再恢復運行安防報警任務。對于應用程序部分主要包括溫度控制部分、安防報警部分、家電信息部分的應用程序。

4 結(jié)語

本文從理論上分析和研究了物聯(lián)網(wǎng)下的智能家居系統(tǒng)，分別對其整體的系統(tǒng)設計、硬件部分設計和軟件部分設計進行闡述。使用嵌入式操作系統(tǒng)UC/OS-II開發(fā)的智能家居系統(tǒng)，操作更加方便，界面更加友好，是未來智能家居系統(tǒng)發(fā)展的主流模式。智能家居系統(tǒng)是一個復雜而又多科交叉的系統(tǒng)工程，涉及到通信、計算機、自動化、建筑等多個領域的知識和技術，將會有更大的發(fā)展。

[1]楊晨，嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的研究.[碩士論文]2007.

[2]王曉東，基于嵌入式S3C2410X微處理器的智能家居控制系統(tǒng)研究與實現(xiàn).[學位論文]2007.

[3]臧大進，劉增良，高于，楊人超 ．基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]．1．銅陵學院電氣系，安徽銅陵244000；2．中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，江蘇徐州 221008 2010：38—39.