安徽財(cái)經(jīng)大學(xué) 邢亞楠

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)理念目前已被大眾逐步了解，并且隨同傳感器技術(shù)的發(fā)展，通信和互聯(lián)網(wǎng)的成熟逐布應(yīng)用到到社會(huì)的每個(gè)角落。物聯(lián)網(wǎng)存在的意義就是，它完全改變了人與機(jī)器、世界以及周邊環(huán)境的交流方式，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，人們就可以更自由，更簡(jiǎn)單的獲取各種各樣的生物、物理、化學(xué)信息，也更加方便地與機(jī)器、設(shè)備進(jìn)行交互，甚至能夠在機(jī)器與機(jī)器（M2M）之間，架起通信和對(duì)話的渠道，讓機(jī)器協(xié)同工作，更好地為人類服務(wù)。伴隨互聯(lián)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代，通過(guò)對(duì)海量的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并提取有價(jià)值的信息相整合和形成數(shù)據(jù)模型，對(duì)科學(xué)研究，現(xiàn)代化城市管理，自然科學(xué)研究等方面，都有著十分重要的意義。一些大公司也都在積極進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的探索，例如IBM的智慧星球，谷歌的智能眼鏡，NASA的星球皮膚等項(xiàng)目，并逐漸獲得了市場(chǎng)與人們高度的認(rèn)可。

那么物聯(lián)網(wǎng)具體有哪些實(shí)在形式，它又能為人類提供哪些方面的便捷呢？最典型的應(yīng)用，就是使用二維碼或者RFID技術(shù)，對(duì)各種各樣的物體進(jìn)行唯一性的標(biāo)志，使得物品能夠從生產(chǎn)到銷售再到回收流程中，都能夠被自始至終的監(jiān)控，比如對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的原產(chǎn)地進(jìn)行精確回溯，對(duì)大型生產(chǎn)機(jī)械的制造和運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這樣不且可以對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題快速定位、快速響應(yīng)外，還給予了用戶更加開(kāi)發(fā)的能力，比如遠(yuǎn)程對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的工作情況進(jìn)行獲取甚至遠(yuǎn)程控制機(jī)械。

一個(gè)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用，一般都要完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集，存儲(chǔ)，和數(shù)據(jù)的加工以及分析這三項(xiàng)基礎(chǔ)的工作，比如，對(duì)于一個(gè)駕駛員，希望獲取到達(dá)目的地的沿途的路況，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，就要有大量的交通數(shù)據(jù)傳感器對(duì)幾個(gè)可能路線上的車流量與天氣實(shí)況進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集，并存儲(chǔ)到集中的路況處理分析服務(wù)器，應(yīng)用正確的算法，并可以算出大概的到達(dá)時(shí)間，并迅速把處理的結(jié)果通知給駕駛?cè)藛T。因此，我們可以得出大概的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)分為以下三部分：（1）傳感器硬件與連接互聯(lián)網(wǎng)的通信網(wǎng)關(guān)（負(fù)責(zé)把傳感器數(shù)據(jù)采集再通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器）。（2）海量高速的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存分析服務(wù)器。（3）特定的用戶設(shè)備用以向用戶展示處理結(jié)果。

本文以物聯(lián)網(wǎng)在智能家居設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，來(lái)介紹物聯(lián)網(wǎng)整個(gè)一體化的設(shè)計(jì)流程與實(shí)施方法。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案

2.11 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖

智能家居的功能就是能夠通過(guò)微處理器將家用電器及各個(gè)設(shè)備連接到智能網(wǎng)關(guān)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與統(tǒng)一控制。另外還能夠通過(guò)一些程序的設(shè)計(jì)讓智能網(wǎng)關(guān)通過(guò)對(duì)傳感器傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析自行對(duì)家庭設(shè)備進(jìn)行控制，如通過(guò)溫度傳感器設(shè)置一定的溫度上下限自動(dòng)打開(kāi)或關(guān)閉電風(fēng)扇和空調(diào)、通過(guò)濕度傳感器打開(kāi)加濕器自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)的環(huán)境、通過(guò)光照傳感器自動(dòng)打開(kāi)或關(guān)閉窗簾等等，智能網(wǎng)關(guān)就像是一個(gè)人的大腦只要是用傳感器關(guān)聯(lián)到的設(shè)備都能夠被控制和分析。另外，智能網(wǎng)關(guān)會(huì)接入到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器同時(shí)將數(shù)據(jù)和控制信號(hào)掛載到網(wǎng)絡(luò)上，這樣用戶就能夠通過(guò)手機(jī)客戶端和網(wǎng)絡(luò)客戶端對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

我們將我們的系統(tǒng)設(shè)計(jì)分成兩部分一部分是安防控制包括門禁和火宅預(yù)警，我們?cè)诖芭_(tái)和門口架設(shè)人體紅外熱釋電傳感器用來(lái)防盜，一旦傳感器被觸發(fā)系統(tǒng)將發(fā)送報(bào)警信號(hào)，同時(shí)用戶的手機(jī)客戶端也會(huì)收到報(bào)警信號(hào)；火宅預(yù)警我們主要采用氣體傳感器，架設(shè)在容易發(fā)生火宅的地方如廚房，若發(fā)生煤氣泄漏傳感器會(huì)第一時(shí)間檢測(cè)到，通知用戶及時(shí)進(jìn)行處理。第二部分是家居控制，可分為一般開(kāi)關(guān)跟模擬量開(kāi)關(guān)，一般開(kāi)關(guān)指簡(jiǎn)單的打開(kāi)關(guān)閉功能如家里的各個(gè)燈、門窗；模擬開(kāi)關(guān)不僅能夠控制開(kāi)關(guān)而且能滿足要求更高的控制如空調(diào)的溫度調(diào)節(jié)、電視機(jī)的選臺(tái)等。

2.2 控制器介紹

Ar dui no是一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子開(kāi)發(fā)平臺(tái)，包含硬件（各種型號(hào)的Ar dui no板）和軟件（Arduino IDE)。對(duì)Ar duino的編程是利用 專門的Ar duino編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這門語(yǔ)言與j ava相類似，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，極易掌握，運(yùn)用起來(lái)也十分得靈活。Ar duino語(yǔ)言是對(duì) AVRGCC庫(kù)的再次封裝，是在wir ing語(yǔ)言的基礎(chǔ)上建立的。不需要太多的單片機(jī)基礎(chǔ)、編程基礎(chǔ)，上手十分簡(jiǎn)單，初步學(xué)習(xí)后，就可以快速進(jìn)行獨(dú)立開(kāi)發(fā)。Ar duino微控制器的有點(diǎn)在于的的可操作性高、上手難度不大能夠很好的與各種傳感器和外部設(shè)備連接交互，如溫度傳感氣、濕度傳感器、空氣傳感器和指紋傳感器等都能簡(jiǎn)單的搭載到Ar duino上成為智能系統(tǒng)的一部分，更加突出的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是Ar duino能夠很方便地搭建網(wǎng)關(guān)開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。因此，Arduino收到很多智能家居開(kāi)發(fā)者的青睞，本文也運(yùn)用Ar duino來(lái)完成整個(gè)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)使用W5100以太網(wǎng)卡連接到Ar duino微控制器上搭建微型服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，W5100是一款功能齊全的的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，內(nèi)部集成有高速的以太網(wǎng)控制器，主要應(yīng)用于集成度搞、穩(wěn)定性高、性能高和較低成本的嵌入式系統(tǒng)中。W5100 內(nèi)部集成了全硬件的、且久經(jīng)市場(chǎng)驗(yàn)證和用戶認(rèn)可的 TCP/IP 協(xié)議棧、高速以太網(wǎng)介質(zhì)傳輸層和物理層。全硬件的TCP/IP協(xié)議棧完美支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE。這些協(xié)議已經(jīng)在很多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用并且得到了廣泛的認(rèn)可。W5100內(nèi)部還集成有16KB的高速存儲(chǔ)器用于數(shù)據(jù)傳輸。使用W5100完全不需要用戶或程序員去考慮以太網(wǎng)的控制，只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單的端口編程就能夠?qū)⒆约旱闹悄茉O(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)。通過(guò)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)將Ar duino鏈接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳感與共享，同時(shí)可以接受網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)回來(lái)的控制信號(hào)。網(wǎng)關(guān)下我們連接了溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器、紅外編碼解碼發(fā)送模塊、人體感應(yīng)傳感器等傳感器模組，可以采集室內(nèi)溫度、濕度、有毒氣體含量通過(guò)繼電器和紅外發(fā)射模塊對(duì)室內(nèi)的電扇、空調(diào)、加濕器等設(shè)備進(jìn)行控制，同時(shí)人體感應(yīng)模塊能夠預(yù)警盜賊并通知用戶。

2.4 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器

現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上有很多免費(fèi)的物聯(lián)網(wǎng)專用服務(wù)網(wǎng)站，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸、處理反饋等功能。這里我們使用了Yeel ink物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，Yeel ink平臺(tái)具有傳感器管理、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的功能，能夠很方便的完成智能家居遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)與控制端的功能。只要在網(wǎng)站上申請(qǐng)一個(gè)帳號(hào)就能夠擁有自己的物聯(lián)網(wǎng)專用服務(wù)器了，通過(guò)添加設(shè)備在與自己搭建的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)相鏈接就能夠完成整個(gè)整個(gè)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這樣用戶不僅可以控制家居設(shè)備同時(shí)還能夠遠(yuǎn)程讀取數(shù)據(jù)和實(shí)施控制。

2.4.1 網(wǎng)絡(luò)端數(shù)據(jù)顯示

2.5 總論

通過(guò)Arduino搭建網(wǎng)關(guān)跟網(wǎng)絡(luò)服務(wù)氣平臺(tái)的配合使用，我們?cè)O(shè)計(jì)完成了一個(gè)基礎(chǔ)的智能家居平臺(tái)系統(tǒng)，雖然只完成了一些基礎(chǔ)的功能但是涵蓋了整個(gè)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，為完成更加復(fù)雜的智能家居系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的大潮流，智能家居又在這一潮流中顯得格外重要，也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的必要產(chǎn)物，相信通過(guò)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，物聯(lián)網(wǎng)在智能家居領(lǐng)域里面的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣發(fā)，人們的生活也會(huì)變得越來(lái)越便捷、越來(lái)越智能化。