物聯網技術支持下的智能家居系統建設探究

曾浩

（南京科技職業學院，江蘇南京，210048）

0 引言

物聯網技術具備電信網、互聯網等基礎網絡技術支持，將其應用于家居系統打造上，可以通過物聯網技術實現家電智能終端的互聯互通，打造智能家居系統，滿足民眾生活需求，提高民眾生活品質，打造智能家居生活。

1 物聯網技術、智能家居系統概述

1.1 物聯網技術

物聯網簡言之物—物連接的網絡，該概念于1999年首次提出，主要指各類信息感知IR感應器、射頻識別（RFID）裝置、GPS定位系統等傳輸設備，通過互聯網組成一個龐大的互聯網絡。物聯網同傳統互聯網不同，物聯網并非是人與人之間通過互聯網獲得聯系，而是指物品與物品之間的聯系[1-3]。物聯網出現主要目的解決傳統互聯網不可解決的問題，可以通過各類傳感器同現有互聯網相互銜接，將物品接入到網絡之中。當前可以支持物聯網的協議包括CDMA、IEEE802.1la/b/g WLAN、GPRS等。

1.2 智能家居系統

智能家居主要指以家庭房屋為平臺，兼具家電信息化、住宅、通信網絡、設備智能化，集服務、系統、管理、結構于一體，具有安全、高效、便利、舒適、低碳環保等特點，依據通信技術、計算機等技術，將同家居生活相關的各個子系統組成綜合的有機體系，并高度集設備，形成自動化、安全、舒適的生活環境。智能家居不僅可以將家居轉化為智能工具，改變人們對傳統家居設備之間關系、設備本身的認識，而且通過智能家居可以為家庭生活提供舒適程度高、品質高、智能化家庭生活空間。智能家居系統主要包括成熟的自動控制、安全防御、音頻視頻編碼處理、通信網絡、綜合布線等技術，將常用的燈光照明系統、電視音響設備、安防門禁系統、溫控系統、家庭影院等連接在一起，采用編程手段，實現家居智能化運行，智能家居系統可以為民眾提供高雅品質、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]。智能家居系統作為未來家居生活的新趨勢、新方向，發展前景廣闊。

2 智能家居系統框架設計分析——基于物聯網技術支持

2.1 無線通信技術比選

智能家居系統設計中，力求打造移動化、一體化、云端化全面發展的機具設備互通連接，滿足生活需求。其中無線通信技術是保證各種家居設備可以有效互聯的關鍵，當前可應用于智能家居系統設計中的無線技術包括Wi-Fi技術、Z-Wave技術、ZigBee技術、Bluetooth 技術等。不同的無線技術具備其自身的特點（詳見表1），考慮到設計智能家居系統不僅需要分析內部組網需求，還需要考量外部服務器同內部家居數據傳輸，因此該系統設計中ZigBee技術用于智能居家系統控制設計，Wi-Fi技術用于外部服務器同內部家居通信連接。ZigBee技術通信可靠高、設備省電、自組織網絡能力強、網絡容量大、低廉，并使用128K高級加密技術，將其應用于內部組網之中，可以保證系統運行穩定與安全。Wi-Fi技術普及率高，可為數據傳輸提供良好傳輸通道。

表1 不同無線技術特點

2.2 智能家居系統框架設計

設計本智能家居控制系統采用傳統的三層控制框架設計，包括設備層、網絡通信層、控制層。（1）設備層。該層主要指包括終端設備節點，智能家電設備、能耗監測設備。智能家電設備包括機頂盒、窗簾、風扇、LED燈、洗衣機、智能影音、洗衣機、電烤箱等設；能耗監測設備包括水表、氣表、電表等。設備層為底層結構，各設備內置ZigBee網絡通信模塊，可以實現設備相關數據及時采集與傳輸，家庭網關由ZigBee網絡中的協調器擔任，并在協調器上增加Wi-Fi模塊，實現協調器數據傳輸。（2）網絡通信層。該層主要由ZigBee網絡、Wi-Fi網絡及相關設備組成，主要負責實現設備層、控制層相關信息的傳輸，確保智能家居系統各項功能的發揮。通信層主要負責相關數據與信息的傳遞，一方面將來自于設備層相關數據傳輸到控制層，另一方面將來自于控制層相關指令傳遞到設備層，確保指令得以實現。（3）控制層。本層主要負責加劇設備等控制，在上層服務器管理所有ZigBee網絡、ZigBee節點（設備內），管理設備器服務、數據庫服務、數據包解析等，實現對設備層各設備的智能化控制。控制層設置能耗設備用量查詢窗口，便于相關人員通過終端實現相關能耗信息查詢，及時根據居家用電、用水、用氣等情況繳納費用。考慮到當前移動終端設備發展迅速，智能家居系統設計中，控制終端設計為PC端、Andriod智能手機終端，更為便宜對家居設備進行管控，為實時查看智能居家系統情況提供支持。

2.3 控制層智能控制系統框架設計

控制層結構主要包括客戶端與服務器，在進行設計中結合智能家居實際使用需求，分別進行設計。（1）客戶端框架設計。客戶端可以滿足智能家居系統控制與管理，客戶端通過TCP/IP協議同服務器連接在一起，并通過服務器完成相應的對外服務器交互。系統可以為客戶端提供數據查詢、修改等服務。服務器與家居內傳感器網絡建立連接之后，客戶端人機交互界面可以實現各種控制功能操作，用戶可以通過相關界面實現家居的智能控制[6]。用戶通過交互端利用預先設定好的程序，實現相關操作，確保智能系統各項功能均可以實現。（2）服務器采用模塊化設計。考慮到智能家居涉及到相關設備多樣，因此在系統設計中為降低開發難度，根據家居設備功能不同，設計多個功能模塊，實現對家居設備的智能管控。同時將不同功能模塊拆分成相互獨立的部分，可以確保不同模塊擁有統一接口，并通過自動加載模塊，確保模塊之間可以各行其責，完成相應的家居管理任務。服務器結構圖見下圖1。根據智能家居系統控制要求，將服務器設計為網絡管理、子系統加載器、數據解析器三個不同模塊。①子系統加載器模塊。該模塊負責完成具體業務邏輯，包括針對數據進行采集與將客戶端指令生成相應的數據包。②數據解析器模塊。該模塊主要負責下行、上行相關數據解析和封包，屬于公共服務范疇。可以確保系統實現數據上傳、下載，確保整個系統各個數據快速傳遞，保證整個系統可以正常運行。③網絡管理模塊。該模塊主要負責監聽、開啟特定的接口，管理Internet 網絡、ZigBee網絡接入情況，及時通知網絡接入與丟失情況，并進行數據收發。

圖1 服務器結構圖

2.4 設備層智能控制系統框架設計

設備層主要由終端設備節點同相關家庭網關組成，在設計中采用 Mesh 網絡規則拓撲結構（無線），ZigBee無線通訊。當系統開始運作后，可以對設備進行有效控制，在整個設備控制中ZigBee網絡可以發揮不同作用。在設備層設計中，終端節點、協調器角色由ZigBee網絡充當。當智能家居系統啟動后，協調器當有其他ZigBee節點訪問后，會對該節點是否允許加入進行分析，并賦予唯一的節點號為允許加入子節點。需要注意在設備層系統中，能耗監控節點較為特殊，其需要將具體水表、電表等同戶內電力線路、家用電器等連接在一起，便于準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，并能耗計將相關參數采集處理后，借助能耗測量模塊，通過CC2530無線通信模塊、串口相連，將相關數據傳輸到家庭網關，最后通過TCP/IP協議傳送到服務器，并將相應數據存儲到數據庫中，用戶可通過手機等終端查詢相關數據。

3 智能家居系統軟件設計、硬件設計

3.1 智能家居系統軟件設計

軟件設計可以配合硬件設計，實現家居的智能化控制，一般在智能家居系統設計中，包括能耗設備監控節點程序設計、家電控制節點程序設計、網絡維護程序設等。（1）能耗設備監控節點程序設計。能耗設備監控節點設計中，需要滿足本系統各個控制終端應答需求，考慮到該能耗節點主要功能為相關設備能耗數據超級與傳輸等。當設備啟動后，能耗設備監控節點初始化，后進入數據采集，采集數據通過網絡直接傳輸到控制層，同時相關數據可以在LED顯示屏上顯示。待控制層接收到相關數據，對設備運行情況進行分析，并根據數據情況發布切斷電源指令，根據指令不同分別進入數據持續監測處理程序與電源切斷操作程序。電源切斷程序啟動后，不僅需要完成相應的電源切斷操作，同時將相關設備發送到無線模塊，之后結束控制。能耗設備節點每間隔1分鐘對相關數據進行自動處理與發送，便于動態化智能控制系統情況。（2）家電控制節點程序設計。家電控制屬于智能家居設計的重點，在相關家電控制軟件設計中，可以通過各個控制終端與服務器之間的應答與動作，實現家電的智能控制。該系統家電控制系統節點程序設計流程如下：開始—初始化—接受指令—節點地址相符（是進入下一步驟，否返回接受指令環節）—進一步解析數據—執行指令操作—發送反饋報文—結束。通過系家電控制節點相應程序，可以實現家電的控制，并當目的地址不匹配時系統會將接收到報文丟棄，直到目的地址相匹配為止。（3）網絡維護的程序設計。家庭網關在建立傳輸層相關協議轉換上具有重要意義，其在ZigBee網絡中擔任重要的協調器決策，可以實現ZigBee網絡的建立。當網絡啟動后，節點、組件加入由協議棧來實現，網關相關節點編寫與管理可以實現網絡控制。各個節點設備相關數據經家庭網關協議轉換器處理，借助TCP/IP網絡實現數據上傳與轉發。各個節點子設備數據可以通過網關協議轉換器、家庭網關等實現處理。控制層服務器接收到相關信息與指令后，通過TCP/IP網絡發送到家庭網關，之后家庭網關對自己IP地址進行反饋，并通過廣播接收到的信息發送到移動終端。

3.2 智能家居系統硬件設計

硬件設計可以確保相關設計的智能系統得以實現，實現智能化控制家居，提升整體居室環境，打造舒適溫馨、智能的家庭環境。硬件設計主要涉及到智能家電設備控制節點、家庭網關節點、能耗監控節點、家庭醫療設備節點等多個節點設計。在硬件設計中，結合本系統主要功能，設計的硬件模塊包括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紅外學習模塊等。例如外圍電路設計、ZigBee芯片選型。系統設計中網關節點、設備終端都涉及到相關ZigBee芯片，使用CC2530通信模塊。為確保系統中CC2530通信模塊可以實現，對相應外圍電路進行設計，提供直流3.3V電源，2～3.6V電壓等。