曾浩

（南京科技職業(yè)學(xué)院，江蘇南京，210048）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具備電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持，將其應(yīng)用于家居系統(tǒng)打造上，可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)家電智能終端的互聯(lián)互通，打造智能家居系統(tǒng)，滿足民眾生活需求，提高民眾生活品質(zhì)，打造智能家居生活。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能家居系統(tǒng)概述

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)簡言之物—物連接的網(wǎng)絡(luò)，該概念于1999年首次提出，主要指各類信息感知IR感應(yīng)器、射頻識別（RFID）裝置、GPS定位系統(tǒng)等傳輸設(shè)備，通過互聯(lián)網(wǎng)組成一個龐大的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)同傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)不同，物聯(lián)網(wǎng)并非是人與人之間通過互聯(lián)網(wǎng)獲得聯(lián)系，而是指物品與物品之間的聯(lián)系[1-3]。物聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)主要目的解決傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)不可解決的問題，可以通過各類傳感器同現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)相互銜接，將物品接入到網(wǎng)絡(luò)之中。當(dāng)前可以支持物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議包括CDMA、IEEE802.1la/b/g WLAN、GPRS等。

1.2 智能家居系統(tǒng)

智能家居主要指以家庭房屋為平臺，兼具家電信息化、住宅、通信網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備智能化，集服務(wù)、系統(tǒng)、管理、結(jié)構(gòu)于一體，具有安全、高效、便利、舒適、低碳環(huán)保等特點(diǎn)，依據(jù)通信技術(shù)、計算機(jī)等技術(shù)，將同家居生活相關(guān)的各個子系統(tǒng)組成綜合的有機(jī)體系，并高度集設(shè)備，形成自動化、安全、舒適的生活環(huán)境。智能家居不僅可以將家居轉(zhuǎn)化為智能工具，改變?nèi)藗儗鹘y(tǒng)家居設(shè)備之間關(guān)系、設(shè)備本身的認(rèn)識，而且通過智能家居可以為家庭生活提供舒適程度高、品質(zhì)高、智能化家庭生活空間。智能家居系統(tǒng)主要包括成熟的自動控制、安全防御、音頻視頻編碼處理、通信網(wǎng)絡(luò)、綜合布線等技術(shù)，將常用的燈光照明系統(tǒng)、電視音響設(shè)備、安防門禁系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、家庭影院等連接在一起，采用編程手段，實現(xiàn)家居智能化運(yùn)行，智能家居系統(tǒng)可以為民眾提供高雅品質(zhì)、舒適安全的家庭生活空間，提供信息的多層次功能，保持家庭信息暢通交流，便利生活[4-5]。智能家居系統(tǒng)作為未來家居生活的新趨勢、新方向，發(fā)展前景廣闊。

2 智能家居系統(tǒng)框架設(shè)計分析——基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持

2.1 無線通信技術(shù)比選

智能家居系統(tǒng)設(shè)計中，力求打造移動化、一體化、云端化全面發(fā)展的機(jī)具設(shè)備互通連接，滿足生活需求。其中無線通信技術(shù)是保證各種家居設(shè)備可以有效互聯(lián)的關(guān)鍵，當(dāng)前可應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)設(shè)計中的無線技術(shù)包括Wi-Fi技術(shù)、Z-Wave技術(shù)、ZigBee技術(shù)、Bluetooth 技術(shù)等。不同的無線技術(shù)具備其自身的特點(diǎn)（詳見表1），考慮到設(shè)計智能家居系統(tǒng)不僅需要分析內(nèi)部組網(wǎng)需求，還需要考量外部服務(wù)器同內(nèi)部家居數(shù)據(jù)傳輸，因此該系統(tǒng)設(shè)計中ZigBee技術(shù)用于智能居家系統(tǒng)控制設(shè)計，Wi-Fi技術(shù)用于外部服務(wù)器同內(nèi)部家居通信連接。ZigBee技術(shù)通信可靠高、設(shè)備省電、自組織網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)容量大、低廉，并使用128K高級加密技術(shù)，將其應(yīng)用于內(nèi)部組網(wǎng)之中，可以保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定與安全。Wi-Fi技術(shù)普及率高，可為數(shù)據(jù)傳輸提供良好傳輸通道。

表1 不同無線技術(shù)特點(diǎn)

2.2 智能家居系統(tǒng)框架設(shè)計

設(shè)計本智能家居控制系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的三層控制框架設(shè)計，包括設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)通信層、控制層。（1）設(shè)備層。該層主要指包括終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)，智能家電設(shè)備、能耗監(jiān)測設(shè)備。智能家電設(shè)備包括機(jī)頂盒、窗簾、風(fēng)扇、LED燈、洗衣機(jī)、智能影音、洗衣機(jī)、電烤箱等設(shè)；能耗監(jiān)測設(shè)備包括水表、氣表、電表等。設(shè)備層為底層結(jié)構(gòu)，各設(shè)備內(nèi)置ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信模塊，可以實現(xiàn)設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)及時采集與傳輸，家庭網(wǎng)關(guān)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器擔(dān)任，并在協(xié)調(diào)器上增加Wi-Fi模塊，實現(xiàn)協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)傳輸。（2）網(wǎng)絡(luò)通信層。該層主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)設(shè)備組成，主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)設(shè)備層、控制層相關(guān)信息的傳輸，確保智能家居系統(tǒng)各項功能的發(fā)揮。通信層主要負(fù)責(zé)相關(guān)數(shù)據(jù)與信息的傳遞，一方面將來自于設(shè)備層相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂茖樱硪环矫鎸碜杂诳刂茖酉嚓P(guān)指令傳遞到設(shè)備層，確保指令得以實現(xiàn)。（3）控制層。本層主要負(fù)責(zé)加劇設(shè)備等控制，在上層服務(wù)器管理所有ZigBee網(wǎng)絡(luò)、ZigBee節(jié)點(diǎn)（設(shè)備內(nèi)），管理設(shè)備器服務(wù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、數(shù)據(jù)包解析等，實現(xiàn)對設(shè)備層各設(shè)備的智能化控制?？刂茖釉O(shè)置能耗設(shè)備用量查詢窗口，便于相關(guān)人員通過終端實現(xiàn)相關(guān)能耗信息查詢，及時根據(jù)居家用電、用水、用氣等情況繳納費(fèi)用?？紤]到當(dāng)前移動終端設(shè)備發(fā)展迅速，智能家居系統(tǒng)設(shè)計中，控制終端設(shè)計為PC端、Andriod智能手機(jī)終端，更為便宜對家居設(shè)備進(jìn)行管控，為實時查看智能居家系統(tǒng)情況提供支持。

2.3 控制層智能控制系統(tǒng)框架設(shè)計

控制層結(jié)構(gòu)主要包括客戶端與服務(wù)器，在進(jìn)行設(shè)計中結(jié)合智能家居實際使用需求，分別進(jìn)行設(shè)計。（1）客戶端框架設(shè)計?？蛻舳丝梢詽M足智能家居系統(tǒng)控制與管理，客戶端通過TCP/IP協(xié)議同服務(wù)器連接在一起，并通過服務(wù)器完成相應(yīng)的對外服務(wù)器交互。系統(tǒng)可以為客戶端提供數(shù)據(jù)查詢、修改等服務(wù)。服務(wù)器與家居內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)建立連接之后，客戶端人機(jī)交互界面可以實現(xiàn)各種控制功能操作，用戶可以通過相關(guān)界面實現(xiàn)家居的智能控制[6]。用戶通過交互端利用預(yù)先設(shè)定好的程序，實現(xiàn)相關(guān)操作，確保智能系統(tǒng)各項功能均可以實現(xiàn)。（2）服務(wù)器采用模塊化設(shè)計?？紤]到智能家居涉及到相關(guān)設(shè)備多樣，因此在系統(tǒng)設(shè)計中為降低開發(fā)難度，根據(jù)家居設(shè)備功能不同，設(shè)計多個功能模塊，實現(xiàn)對家居設(shè)備的智能管控。同時將不同功能模塊拆分成相互獨(dú)立的部分，可以確保不同模塊擁有統(tǒng)一接口，并通過自動加載模塊，確保模塊之間可以各行其責(zé)，完成相應(yīng)的家居管理任務(wù)。服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖見下圖1。根據(jù)智能家居系統(tǒng)控制要求，將服務(wù)器設(shè)計為網(wǎng)絡(luò)管理、子系統(tǒng)加載器、數(shù)據(jù)解析器三個不同模塊。①子系統(tǒng)加載器模塊。該模塊負(fù)責(zé)完成具體業(yè)務(wù)邏輯，包括針對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與將客戶端指令生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)包。②數(shù)據(jù)解析器模塊。該模塊主要負(fù)責(zé)下行、上行相關(guān)數(shù)據(jù)解析和封包，屬于公共服務(wù)范疇?？梢源_保系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳、下載，確保整個系統(tǒng)各個數(shù)據(jù)快速傳遞，保證整個系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。③網(wǎng)絡(luò)管理模塊。該模塊主要負(fù)責(zé)監(jiān)聽、開啟特定的接口，管理Internet 網(wǎng)絡(luò)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入情況，及時通知網(wǎng)絡(luò)接入與丟失情況，并進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

圖1 服務(wù)器結(jié)構(gòu)圖

2.4 設(shè)備層智能控制系統(tǒng)框架設(shè)計

設(shè)備層主要由終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)同相關(guān)家庭網(wǎng)關(guān)組成，在設(shè)計中采用 Mesh 網(wǎng)絡(luò)規(guī)則拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（無線），ZigBee無線通訊。當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)作后，可以對設(shè)備進(jìn)行有效控制，在整個設(shè)備控制中ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以發(fā)揮不同作用。在設(shè)備層設(shè)計中，終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器角色由ZigBee網(wǎng)絡(luò)充當(dāng)。當(dāng)智能家居系統(tǒng)啟動后，協(xié)調(diào)器當(dāng)有其他ZigBee節(jié)點(diǎn)訪問后，會對該節(jié)點(diǎn)是否允許加入進(jìn)行分析，并賦予唯一的節(jié)點(diǎn)號為允許加入子節(jié)點(diǎn)。需要注意在設(shè)備層系統(tǒng)中，能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)較為特殊，其需要將具體水表、電表等同戶內(nèi)電力線路、家用電器等連接在一起，便于準(zhǔn)確讀取具體用電情況。氣表、水表可以通過無線方式同能耗計相連，并能耗計將相關(guān)參數(shù)采集處理后，借助能耗測量模塊，通過CC2530無線通信模塊、串口相連，將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊彝ゾW(wǎng)關(guān)，最后通過TCP/IP協(xié)議傳送到服務(wù)器，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，用戶可通過手機(jī)等終端查詢相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計、硬件設(shè)計

3.1 智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計可以配合硬件設(shè)計，實現(xiàn)家居的智能化控制，一般在智能家居系統(tǒng)設(shè)計中，包括能耗設(shè)備監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計、家電控制節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)程序設(shè)等。（1）能耗設(shè)備監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計。能耗設(shè)備監(jiān)控節(jié)點(diǎn)設(shè)計中，需要滿足本系統(tǒng)各個控制終端應(yīng)答需求，考慮到該能耗節(jié)點(diǎn)主要功能為相關(guān)設(shè)備能耗數(shù)據(jù)超級與傳輸?shù)?。?dāng)設(shè)備啟動后，能耗設(shè)備監(jiān)控節(jié)點(diǎn)初始化，后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)直接傳輸?shù)娇刂茖?，同時相關(guān)數(shù)據(jù)可以在LED顯示屏上顯示。待控制層接收到相關(guān)數(shù)據(jù)，對設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行分析，并根據(jù)數(shù)據(jù)情況發(fā)布切斷電源指令，根據(jù)指令不同分別進(jìn)入數(shù)據(jù)持續(xù)監(jiān)測處理程序與電源切斷操作程序。電源切斷程序啟動后，不僅需要完成相應(yīng)的電源切斷操作，同時將相關(guān)設(shè)備發(fā)送到無線模塊，之后結(jié)束控制。能耗設(shè)備節(jié)點(diǎn)每間隔1分鐘對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動處理與發(fā)送，便于動態(tài)化智能控制系統(tǒng)情況。（2）家電控制節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計。家電控制屬于智能家居設(shè)計的重點(diǎn)，在相關(guān)家電控制軟件設(shè)計中，可以通過各個控制終端與服務(wù)器之間的應(yīng)答與動作，實現(xiàn)家電的智能控制。該系統(tǒng)家電控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計流程如下：開始—初始化—接受指令—節(jié)點(diǎn)地址相符（是進(jìn)入下一步驟，否返回接受指令環(huán)節(jié)）—進(jìn)一步解析數(shù)據(jù)—執(zhí)行指令操作—發(fā)送反饋報文—結(jié)束。通過系家電控制節(jié)點(diǎn)相應(yīng)程序，可以實現(xiàn)家電的控制，并當(dāng)目的地址不匹配時系統(tǒng)會將接收到報文丟棄，直到目的地址相匹配為止。（3）網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的程序設(shè)計。家庭網(wǎng)關(guān)在建立傳輸層相關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換上具有重要意義，其在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)任重要的協(xié)調(diào)器決策，可以實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)啟動后，節(jié)點(diǎn)、組件加入由協(xié)議棧來實現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)相關(guān)節(jié)點(diǎn)編寫與管理可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制。各個節(jié)點(diǎn)設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)家庭網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換器處理，借助TCP/IP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與轉(zhuǎn)發(fā)。各個節(jié)點(diǎn)子設(shè)備數(shù)據(jù)可以通過網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換器、家庭網(wǎng)關(guān)等實現(xiàn)處理。控制層服務(wù)器接收到相關(guān)信息與指令后，通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到家庭網(wǎng)關(guān)，之后家庭網(wǎng)關(guān)對自己IP地址進(jìn)行反饋，并通過廣播接收到的信息發(fā)送到移動終端。

3.2 智能家居系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件設(shè)計可以確保相關(guān)設(shè)計的智能系統(tǒng)得以實現(xiàn)，實現(xiàn)智能化控制家居，提升整體居室環(huán)境，打造舒適溫馨、智能的家庭環(huán)境。硬件設(shè)計主要涉及到智能家電設(shè)備控制節(jié)點(diǎn)、家庭網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、家庭醫(yī)療設(shè)備節(jié)點(diǎn)等多個節(jié)點(diǎn)設(shè)計。在硬件設(shè)計中，結(jié)合本系統(tǒng)主要功能，設(shè)計的硬件模塊包括6個，分別為M25 P16無線下載存儲芯片、CC2530 ZigBee芯片、ADE7755計量芯片、MAX30102心率血氧傳感器、ADXL345三軸加速度傳感器、IR001紅外學(xué)習(xí)模塊等。例如外圍電路設(shè)計、ZigBee芯片選型。系統(tǒng)設(shè)計中網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、設(shè)備終端都涉及到相關(guān)ZigBee芯片，使用CC2530通信模塊。為確保系統(tǒng)中CC2530通信模塊可以實現(xiàn)，對相應(yīng)外圍電路進(jìn)行設(shè)計，提供直流3.3V電源，2～3.6V電壓等。