結(jié)合智能家居的物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)探索

楊宏偉，朱紅梅，韓永林

(長春理工大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春 130022)

目前，世界發(fā)達國家為了推動信息社會發(fā)展，提出建設(shè)“無所不在的網(wǎng)絡(luò)社會”，并將其作為國家或地區(qū)信息化發(fā)展的重要組成部分。以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、下一代互聯(lián)網(wǎng)和下一代移動通信技術(shù)等為代表的新一輪信息技術(shù)革命正在催生新技術(shù)、新產(chǎn)品、新應(yīng)用和信息產(chǎn)業(yè)群［1－2］。

物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用在智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流、智能綠色建筑、智能檢索、環(huán)境監(jiān)測和智能家居等領(lǐng)域。其中智能家居因其應(yīng)用前景廣闊、潛在市場需求巨大、發(fā)展迅猛受到社會廣大關(guān)注。智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動控制技術(shù)和影視技術(shù)，實現(xiàn)家居設(shè)備的集成，從而構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日常應(yīng)用的管理系統(tǒng)，滿足用戶對家居生活安全舒適、便利環(huán)保等要求［3］。

物聯(lián)網(wǎng)實驗緊密圍繞課程教學(xué)大綱，結(jié)合單片機、嵌入式系統(tǒng)及智能終端等軟硬件平臺，可以全方位覆蓋物聯(lián)網(wǎng)的感知與標識、通信與網(wǎng)絡(luò)、接入與處理三個不同層面的各項核心關(guān)鍵技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)的探索過程中，智能家居是一個非常典型的應(yīng)用。

智能家居系統(tǒng)利用無線射頻技術(shù)(RFID)來實現(xiàn)信息傳遞并通過所傳遞的信息，達到自動識別的目的。該系統(tǒng)將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)，有機地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加美好［4］。

一、智能家居系統(tǒng)功能需求

智能家居系統(tǒng)的基本功能是將信息家電組合成一個智能化網(wǎng)絡(luò)，并能夠進行安全防范報警，主要包括安防系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)及聯(lián)動抓拍三個部分。

安防系統(tǒng):在家居環(huán)境內(nèi)，提供煤氣監(jiān)控、門窗防盜監(jiān)控、安全防火、防盜監(jiān)控等安防子系統(tǒng)，也可以根據(jù)實際需要自定義安防系統(tǒng)。

聯(lián)網(wǎng):智能化家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建立在智能小區(qū)局域網(wǎng)平臺上，并能將其連入計算機互聯(lián)網(wǎng)。如果發(fā)生警情，報警信息能夠及時上傳至智能小區(qū)管理中心，保安人員會及時與業(yè)主聯(lián)系并上門服務(wù);同時報警信息業(yè)能夠及時發(fā)給設(shè)定好的相關(guān)固定電話和移動手機;室內(nèi)報警系統(tǒng)也會發(fā)出聲光報警信號。

聯(lián)動抓拍:不明身份人員入侵家居環(huán)境后，觸發(fā)探測器，啟動攝像機及時抓拍其圖像，并保存在預(yù)置分機中。

根據(jù)本系統(tǒng)功能需求，具體闡述其總體構(gòu)架及設(shè)計部署。

二、智能家居系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能家居系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)以應(yīng)用模塊的方式存在，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和信息處理層三個部分，是一個典型的物聯(lián)網(wǎng)DCM三層架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)總體架構(gòu)

其中信息處理層是整個系統(tǒng)對外展現(xiàn)的窗口，提供個性化的用戶界面，它包括許多通用組件，如報警監(jiān)控、實時監(jiān)控、視頻監(jiān)控及系統(tǒng)查詢、配置、管理等;網(wǎng)絡(luò)傳輸層提供用戶界面所需的經(jīng)邏輯處理后的所有數(shù)據(jù)，它控制與其他子系統(tǒng)的通信和中心數(shù)據(jù)庫的連接及業(yè)務(wù)處理。同時將各種通信接口以插件安裝的形式集合在通用通信網(wǎng)關(guān)中，以統(tǒng)一的XML數(shù)據(jù)格式，將本系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)聯(lián)通;感知層針對要集成的對象，如視頻監(jiān)控、安防系統(tǒng)、聯(lián)動控制系統(tǒng)等，對其要監(jiān)測的內(nèi)容進行部署［5］。

三、智能家居系統(tǒng)設(shè)計及部署

家居智能化網(wǎng)絡(luò)具有易變的網(wǎng)絡(luò)拓撲，可根據(jù)需要進行自組織，自動實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置，從而保持網(wǎng)絡(luò)的連通性。自組織過程結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)進入正常運行階段。本系統(tǒng)包括遠程監(jiān)控中心和現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)兩部分。遠程監(jiān)控中心主要由服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與應(yīng)用軟件和GPRS通信模塊組成?，F(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要由無限傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，包括監(jiān)控中心節(jié)點和監(jiān)控終端節(jié)點。監(jiān)控中心節(jié)點由GPS接收機、單片機、射頻模塊和GPRS通信模塊組成，監(jiān)控終端節(jié)點由傳感器和射頻模塊組成。由GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程監(jiān)控中心和現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)之間的通信。其現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)部署如圖2所示。

圖2 智能家居系統(tǒng)設(shè)計部署

智能家居系統(tǒng)是一個以智能網(wǎng)關(guān)為中心協(xié)調(diào)器所組建的ZigBee星狀網(wǎng)絡(luò)。在家居環(huán)境中安裝的各種安防檢測模塊節(jié)點，一旦監(jiān)測到異常情況，立即會將立即情況的具體信息發(fā)送到家居智能網(wǎng)關(guān);家居智能網(wǎng)關(guān)對接收到的信息進行相應(yīng)的處理，如現(xiàn)場聲光報警、無線報警或者通過智能小區(qū)局域網(wǎng)連至計算機互聯(lián)網(wǎng)做相應(yīng)的處理。

(一)智能網(wǎng)關(guān)

家居智能網(wǎng)關(guān)是通信、決策、報警的核心，部署在智能家居網(wǎng)絡(luò)中心，它一方面利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)，對布防在家居環(huán)境中的各個安防監(jiān)測模塊節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集和處理，同時實現(xiàn)對家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理和控制;另一方面通過GSM模塊實現(xiàn)與外網(wǎng)用戶的遠程通信。當檢測到異常情況時，智能網(wǎng)關(guān)通過GSM模塊向遠端用戶發(fā)送報警短信息或者自動撥打報警電話，實現(xiàn)遠程無線監(jiān)控。

圖3為智能網(wǎng)關(guān)的組成原理示意圖，主要由PC機、GSM模塊、現(xiàn)場報警模塊和射頻模塊組成，可以 RF、WLAN、WIFI、RS－485等通信方式實現(xiàn)通信。射頻模塊采用TI公司的CC2430和CC2591。CC2430在整個芯片上集成了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微處理器。CC2591集成功率放大器、平衡轉(zhuǎn)換器、交換機和RF匹配網(wǎng)絡(luò)等，最大輸出功率達22dBM，通信距離可達30 m。

圖3 智能網(wǎng)關(guān)組成原理示意圖

(二)安防監(jiān)測節(jié)點

在家居環(huán)境中可能出現(xiàn)安全隱患的區(qū)域部署各類安防監(jiān)測模塊，形成安防監(jiān)測感知節(jié)點。根據(jù)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的不同，部署不同的無線傳感器，如溫度、濕度、煙霧、紅外或振動等無線傳感器。

(三)ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)

智能家居系統(tǒng)按照接入網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，采用RFID簡單接入和多跳接入兩種形式。簡單接入是在采集設(shè)備獲取信息后，通過有線或者無線方式將數(shù)據(jù)直接發(fā)送至承載網(wǎng)絡(luò)。多跳接入是利用傳感網(wǎng)技術(shù)，將具有無線通信的微小傳感器節(jié)點通過自組織方式，自主完成網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)組織和數(shù)據(jù)的傳遞，ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)已成為多跳接入方式的核心。

本系統(tǒng)在部署安防監(jiān)測節(jié)點后，采用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)無線自組網(wǎng)絡(luò)。在軟件設(shè)計上包括初始化程序、發(fā)射程序、接收程序、協(xié)議棧配置、組網(wǎng)方式配置程序以及各處理層設(shè)置程序。初始化程序主要對CC2430、USAR串口、協(xié)議棧、LCD等進行初始化;發(fā)射程序?qū)⑺杉臄?shù)據(jù)通過CC2430調(diào)制并通過DMA直接送至射頻輸出;接收程序完成數(shù)據(jù)的接收并顯示、遠傳及返回信息處理;PHY、MAC、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層程序設(shè)置數(shù)據(jù)的底層、上層的處理及傳輸方式。具體采用主從節(jié)點方式傳送數(shù)據(jù)，將與GPRS連接的網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為主節(jié)點，其它傳感器節(jié)點作為從節(jié)點，從節(jié)點可以向主節(jié)點發(fā)送中斷請求信號。從節(jié)點打開電源，初始化，建立關(guān)聯(lián)連接后直接進入休眠狀態(tài)。當主節(jié)點接收到中斷請求時觸發(fā)中斷，激活節(jié)點，發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包，處理完畢后繼續(xù)進入休眠狀態(tài)，等待有請求時再次激活。通信流程如圖4所示。

圖4 ZigBee通信流程框圖

除ZigBee通信系統(tǒng)外，本系統(tǒng)還結(jié)合用戶端的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計方法，采用Access數(shù)據(jù)庫平臺和ADO數(shù)據(jù)庫連接技術(shù)，并使用Delphi編程語言實現(xiàn)界面、管理、查詢操作以及GPRS平臺上的數(shù)據(jù)收發(fā)［6］。

(四)數(shù)據(jù)庫管理軟件設(shè)計

位于智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，匯聚了由感知層傳來的各類節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，為了將更多有效信息歸納匯總，并且實現(xiàn)最終的智能分析管理，就需要利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用Microsoft SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并通過安防信息采集，用戶自定義設(shè)置和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等模塊的管理，來滿足智能家居的具體需求。

四、結(jié)束語

本文在圍繞物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)大綱的基礎(chǔ)上，從實際應(yīng)用需求角度出發(fā)，以智能家居系統(tǒng)設(shè)計為例，闡述整體架構(gòu)及總體設(shè)計部署方法，結(jié)合ZigBee通信技術(shù)，提出一種有效的智能家居設(shè)計理念。通過實際案例，改革教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣、創(chuàng)新思維和綜合實踐能力，進一步促進實驗教學(xué)質(zhì)量的提高。

［1］ 國務(wù)院發(fā)展研究中心技術(shù)經(jīng)濟研究部．物聯(lián)網(wǎng)影響未來［M］．北京:中國發(fā)展出版社，2011:1－3．

［2］ 俞文俊，凌志浩．一種物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)的研究［J］．自動化儀表，2011(8):56 －59．

［3］ 劉云浩．物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論［M］．北京:科學(xué)出版社，2012:341－342．

［4］ 周洪波．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、應(yīng)用、標準和商業(yè)模式［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2011:340－341．

［5］ 劉化軍，劉傳清．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2011:270 －285．