基于物聯網技術的智能家居系統的研究

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展，設備智能化已經成為了一種新型的發展趨勢，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。物聯網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網、移動終端網絡、無線傳感網絡構成的基于物聯網的智能家居系統。本系統具有通訊、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或者手機短信發送的方式，對家庭當中的空調、電冰箱、洗衣機等家用電器進行控制，并可以實現各個智能家居的遠程控制功能。

1 物聯網技術

物聯網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、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，與互聯網結合形成的一個巨大網絡，實現智能化識別和管理。目前，構成物聯網的最基礎、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，就能將信息數據以接力的方式通過無線電波在網絡節點之間進行傳播，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，易擴容，易使用，易維護，便于快速大規模部署。其應用范圍包括便攜式電子設備、智能化交通管理、環境狀況監測、智能家居、公共安防等領域。

從系統角度看，物聯網可劃分為一個由感知互動層、網絡傳輸層和應用服務層的3層體系。

2 智能家居系統

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、網絡通信，集結構、系統、管理、服務為一體的高效、安全、舒適、便利、環保、節能的居住環境；利用網絡通信技術、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有機地結合在一起形成高度智能化的智慧家庭。智能家居系統是實現智能家居智能化的設施，主要包含八大子系統：家電智能控制子系統、家居安防控制子系統、家庭環境控制子系統、家庭能量管理（三表抄送）子系統、家庭自動化子系統、家庭信息處理子系統、家庭娛樂子系統和背景音樂子系統。與普通家居相比，智能家居把原來被動的靜止的家居結構轉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約資金。

3 基于物聯網技術的智能家居系統

智能家居設計的出發點是為住戶營造一個安全、舒適、便捷、高效的生活環境。因此智能家居控制系統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過早的升級淘汰而使構造成本增加。軟件系統要有良好的增長性，方便系統的維護與升級。智能家居先要在家居中建立一個通訊網絡，為家居內數據提供必要的傳輸介質，在家居網絡操作系統的控制之下，由相應的軟、硬件執行機構，完成對接入家庭網絡當中的各種節點與設備進行監測與控制。其次，還要透過一定的媒介，構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，滿足監測、遠程操控以及信息交換要求，根據系統要實現的功能，給出了整體的框架設計方案和軟硬件系統方案。

3.1 系統的總體框架設計

物聯網環境下的智能家居系統融合了無線傳感器網絡、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一的管理和控制，主要包括家電部分、環境控制（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成，即多個節點構成，節點之間相互獨立，也就說其中一個節點的工作與否不會影響到另一個節點的正常工作，具體的總體框圖如圖 1所示。

圖1 智能家居系統的總體框圖

3.2 硬件系統的設計

首先，智能家居系統的硬件部分的核心就是系統的微控制器，主要負責采集數據，包括溫度、濕度、光照等。基本要求就是：能夠處理圖像、聲音和數據等信息，具有長期值守的能力。所以要求其性能穩定，處理速度快，功耗小。具有睡眠激發功能，無特殊情況設備下處于睡眠模式，可中斷或遠端喚醒。可以選擇移動的 ARM系列平臺，具有豐富的外圍接口，支持嵌入式操作系統。其次，在智能家居系統中的無線傳輸網絡當中，可以根據需要選擇不同的無線傳輸技術。本文以Zigbee技術為例，Zigbee協調器（PAN）的任務是建立Zigbee網絡并進行從節點（RFD）的事物管理，還要從各個節點采集數據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協調器的射頻天線用來發送與接收電磁信號，LCD顯示模塊對界面菜單進行操作與顯示。然后，Zigbee網絡中的終端設備節點即探測傳感器節點，是Zigbee網絡的重要組成部分，它負責對各個子功能模塊的數據進行采集并發送到Zigbee協調器。

3.3 軟件系統的設計

圖2 智能家居系統操作系統軟件流程圖

軟件部分包括操作系統部分和應用程序部分，操作體統選用源代碼開放的uc/os-II，在進行操作系統移植的過程中，要修改相應的文件分別是：OS_CPU.H文件，根據不同的CPU河編譯器，需要對數據類型、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如OSStartHighRDY（）、OSCtxSw（）等。根據智能家居系統功能的劃分，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先級，其中最高優先級為安防任務，環境控制任務，遠程控制任務和家電信息任務。主程序任務主要是創建其他的任務，默認首先創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，系統上電后，首先進行系統初始化，然后是相關的硬件系統初始化，在進行通信設備的初始化，然后加載嵌入式操作系統并進行其初始化，啟動 uc/os-II的函數OSTaskCreat（）創建各模塊功能任務，由于安防報警任務的優先級最高，先得到運行權利。當有其他功能模塊任務被創建時候，就把安防報警任務掛起，然后運行結束退出后，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 結語

本文從理論上分析和研究了物聯網下的智能家居系統，分別對其整體的系統設計、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UC/OS-II開發的智能家居系統，操作更加方便，界面更加友好，是未來智能家居系統發展的主流模式。智能家居系統是一個復雜而又多科交叉的系統工程，涉及到通信、計算機、自動化、建筑等多個領域的知識和技術，將會有更大的發展。

[1]楊晨，嵌入式智能家居控制系統的研究.[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研究與實現.[學位論文]2007.

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