基于物聯網智能家居的設計

張俊杰

（蘇州科技大學，江蘇 蘇州 215011）

1 物聯網的技術概述

1.1 物聯網技術

隨著時代不斷發展，物聯網技術是基于信息技術產業的第三次革命，通過利用傳感設備，將信息量通過網絡輸入到平臺，使得各層實現信息的置換與監督。

1.2 物聯網體系結構

物聯網技術的發展使得它有個較為完整的體系，基本結構包括應用層、網絡層以及感知層。從最初的感知層通過傳感器等將數據打包上傳至網絡，云計算平臺通過數據處理后進行儲存，在應用層需要數據或信息時，實現數據的交互。當然，信息的傳輸不是單向的，而是交互式互相控制的，最終信息也會發送至用戶的終端設備[1]。

1.3 物聯網核心技術

隨著物聯網技術的出現，其核心技術成為了人們的研究對象，主要包括無線傳感網絡技術、RFID技術以及云端技術。

1.3.1 無線傳感網絡技術

無線傳感網絡是將大量小體積的傳感器節點以自由組織的獨特形式組成的網絡，它的特點包括網絡覆蓋規模龐大和自組織后成網的能力強等，但傳輸能力非常有限。相對于有線網絡，低寬帶成了無線傳感網絡技術的天然障礙。在眾多的傳感器節點中，每一個小節點就是一個單獨的系統，通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線模塊以及能量供應模塊組成。傳感模塊通常采用微型電池來縮減面積，無線傳感器網絡中通常也分為匯聚節點和傳感器節點。匯聚節點通過網關在傳感模塊傳輸的數據將錯誤的報告消除，整合數據對事件進行判斷，在無線傳感技術中起著重要的作用[2-5]。

1.3.2 RFID技術

RFID技術被稱為無線射頻識別技術，它的原理通常由閱讀器接收射頻信號，產生感應電流后自動搜尋相對應的信息，從而讓應用程序做出相應反應。RFID技術基本構成包括讀寫器、天線、中間件以及應用軟件。一般來說，用來識別識別對象的標簽在物體上只有一個對應的電子編碼，在無法對應編碼的系統中不會產生感應電流，因此具有防盜作用。

1.3.3 云端技術

云端技術最早是Amazon開發的一個軟件技術，應用在購物平臺，隨后各大公司也跟進了這項技術。所謂云是指由多個強運算能力計算機所組成的中心，各個終端通過連接網絡，讓虛擬網絡來處理數據。在虛擬化的平臺利用大主機運作，全程計算機模擬實現0硬件成本，這對于創業初期者來說是一個福音。

2 智能家居的硬件設計

2.1 中央平臺設計

中央平臺設計時需要考慮其維護及功能，在多個終端連接后出現故障是否能夠簡單快速被處理，同時主控制器也需考慮其CPU穩定性。主控制器是核心部分，在選用時應考慮成本、功能、運算速度及接口方式等。基于研究，目前通用的設計采用Zigbee芯片作為網絡通信的核心硬件，負責大數量的數據采集。在選用系統平臺后，中央處理器會對各個端口進行監控及管理，終端通過連接網絡或藍牙上傳至中央控制器，中央控制器再對其進行分析做出回應。

2.2 主節點設計

主節點即由協調器完成的節點，是中間設備，主要作用是由設備終端向上層傳輸指令。通過主節點后發送至相應的數據串口，通過協調器的協調作用上傳至上位機等待下一步的處理。該節點需要網絡的支持，同時協調器也可通過增加或減少路由節點來實現對網絡的穩定性控制。主節點的設計結構如圖1所示，它由電源模塊、CC2430無線通信模塊、鍵盤輸入模塊、串口模塊、顯示模塊、仿真器接口以及主機組成，用于建立無線通信網絡與節點的綁定，接收到終端的數據后歸總采用串口有線的方式將下層的數據發送至上位機，等待下一步的指令[6-9]。

圖1 主節點設計

無線通信模塊負責建立無線網絡，同時由該模塊收集信息與數據并分配至各節點，保證節點的順利加入，實現信息與數據的交換。電源模塊是穩定電源，保證各節點的穩定輸入，串口模塊負責上下交接，將CC2430模塊與上位機相連，仿真器模塊負責程序下載，而鍵盤電路負責發布命令。

2.3 終端節點設計

如圖2所示的設備終端在智能家居中有采集信息的作用，同時也是控制系統的執行者，當客戶使用終端或是遠程操控做出反應時，設備終端需要將需要的信息傳輸至主節點。在本系統中，設備終端有無線通信模塊，即CC2430，它的功能是建立網絡和中央平臺進行數據交換。環境監測模塊的功能是對室內環境進行監控，顯示室內溫度與濕度信息，若室內某項值達到報警值則收集報警工作狀態進行匯報。繼電器驅動模塊用于驅動自動窗簾、照明以及報警等設備開關，紅外模塊的紅外收發功能用于控制電視機機頂盒、遙控器以及空調等具有紅外設備的家居。事實上，目前安卓的紅發收發功能已經能夠自由控制空調等設備，未來的控制終端集成于一個控制器上也是一個趨勢[10,11]。當然，為了滿足客戶的個性化設備接入需求，還能增加需要控制的設備，只需通過連接接口進行注冊。

圖2 終端設備結構圖

3 智能家居的軟件設計

3.1 家電控制節點程序設計

家電控制軟件的設計與編程所要符合的要求包括對終端上傳的數據進行自我判斷和處理控制。當中段出現問題時，向中央平臺報告，同時也需要向家庭網關反饋狀態。系統通過上傳的報文判斷地址，當目標地址不符合時，節點中負責接收數據的模塊收到終端的報文后將丟棄報文，如果匹配則進行下一步判斷。判斷報文是否符合它的設備類型，如當報警裝置的發出指令出現在了空調等無關因素的設備上時，數據模塊需要判斷后進行修改，最后經CC2530串口發送至執行器后進行操作，且向主服務器發送反饋。家電控制節點軟件設計流程如圖3所示。

圖3 家電控制節點軟件設計流程圖

3.2 監控節點程序設計

監控節點主要用來收集一些數據信息，起到監督作用。其在采集設備數據后會接收服務器的命令，主要負責信息的上傳。

系統的監控設備終端節點系統初始化后，各個節點開始采集能耗數據，溫度濕度探頭等會將數據及能源消耗投放在LED屏幕上。在接收數據的模塊接收到中央服務器的命令后，當溫度過高時數據通過監控節點上傳至服務器，服務器會下達降溫的命令。在完成降溫后，溫度趨于穩定，監控系統再次進行監控，上傳二次數據至服務器。當然，監控節點采集到的數據每隔一段時間便會自動發送至家庭網關，家庭網關上傳后會對數據進行備份和儲存。另外還有能耗監控系統，其主要目標是記錄一周或是一個月的家庭能耗數據并上傳，上層服務器再將數據傳輸至用戶終端設備，用戶終端設備也可根據自己的需要將能耗降低。能耗監控存在一定的滯后性，因此需要根據監控數據推測未來變量，使服務器提早控制能耗。

3.3 網絡維護程序設計

網絡是智能家居的基礎，做好網絡維護更是關鍵。家庭網關是建立在物聯網和計算機通信網絡層之上的協議，在整個系統中擔任協調器的作用。在上電運行后，ZigBee的網絡建立，家庭網關負責數據的接收與傳輸。家庭網關與各節點及PC端連接，網關節點的信息處理通過編程來實現。各個節點的子設備通過TCP/IP連接，向上層傳輸數據進行處理。在上層服務器接收到用戶終端設備的指令后，做出反應將數據傳輸至網關的各個節點，網關會將自己的IP地址反饋給上層服務器，上層服務器接收到IP地址后會以廣播通信的方式將用戶端的數據發送至數據終端。其中網絡如果出現問題，那么家庭網關節點的IP地址會自動斷開，網關會將信息反饋至上層服務器，終端設備接收到報錯后會顯示哪個環節出現問題并根據問題所在地進行網絡維修與維護。在網絡恢復后，中心服務器會儲存數據與IP地址，計算機的記憶功能用途較為廣泛，在物聯網中更是不可或缺。

4 結 論

隨著物聯網的飛速發展，云端成了一個大體趨勢，越來越多的領域涉及到了物聯網，智能家居也不例外。隨著服務器的更新換代，處理與計算數據的速度也越來越快，由中央控制系統組成的智能家居，在家中有很多個節點，每個節點發揮不同的作用。智能家居的智能體現在系統有著明確分工，由中央服務器進行命令發配，各節點協調從而達到和諧的目的。硬件由服務器、節點及設備終端組成，其中有著物聯網云端服務功能的中央系統最為重要。軟件通過邏輯編程使系統進行可視化運作，所有數據儲存在服務器中最后傳入用戶設備終端。物聯網在智能家居中的應用有著很大的優勢，未來智能家居將更加依賴于物聯網技術，智能家居的設計也會趨于多樣化，給用戶提供所需要的產品。