物聯(lián)網(wǎng)
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智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
智能家居系統(tǒng)需要先進(jìn)的信息技術(shù)的支持，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了智能家居技術(shù)水平的提高。物聯(lián)網(wǎng)中用到很多無(wú)線(xiàn)技術(shù)，這為基于無(wú)線(xiàn)的智能家居系統(tǒng)提供了很好的技術(shù)上的借鑒。同時(shí)，隨著藍(lán)牙小組（SIG）推出的旨在進(jìn)軍廣闊的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的低功耗藍(lán)牙，使得基于藍(lán)牙的智能家居系統(tǒng)的研究有更多的現(xiàn)實(shí)意義和技術(shù)保障?；谏鲜銮闆r，首先設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線(xiàn)的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)，并在此架構(gòu)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于藍(lán)牙技術(shù)的智能家居智能控制器的總體架構(gòu)。
一、無(wú)線(xiàn)智能家居系統(tǒng)架構(gòu)
物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)體系層次一般分為三層，分別為感知層（信息感知網(wǎng)絡(luò)）、網(wǎng)絡(luò)層（網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施）、應(yīng)用層（應(yīng)用服務(wù)支撐體系）。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上，根據(jù)對(duì)智能家居信息通信過(guò)程的分析，本文設(shè)計(jì)了四層無(wú)線(xiàn)智能家居架構(gòu)體系，從底層到上層分別為：感知層、局域網(wǎng)絡(luò)層、廣域網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
智能家居的感知層主要以各種感知技術(shù)作為支撐，并結(jié)合相應(yīng)的控制技術(shù)完成感知和表達(dá)任務(wù)。感知層主要負(fù)責(zé)對(duì)家居內(nèi)的智能家電信息、溫濕度等環(huán)境信息及煤氣濃度等安全信息進(jìn)行識(shí)別和獲取。
局域網(wǎng)絡(luò)層主要采用無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞?，如ZigBee、藍(lán)牙等無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議或者如IP地址等公開(kāi)協(xié)議，將感知層采集的信息數(shù)據(jù)通過(guò)智能家居控制器發(fā)送的廣域網(wǎng)絡(luò)層。或者將智能家居控制器控制信息發(fā)送到感知層的設(shè)備控制器，從而完成控制任務(wù)。智能家居控制器是局域網(wǎng)絡(luò)層的核心部分，負(fù)責(zé)家庭局域網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)、協(xié)議轉(zhuǎn)換、設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)計(jì)算、數(shù)據(jù)加密等功能，同時(shí)又承擔(dān)著與廣域網(wǎng)絡(luò)層信息交互等作用。
智能家居的廣域網(wǎng)絡(luò)層主要依靠現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)將感知層的數(shù)據(jù)信息傳送到需要信息數(shù)據(jù)的智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用上。一般可以采用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的4G方式或者是以太網(wǎng)的方式與智能家居控制器實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)交換。
物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用層主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并應(yīng)用。智能家居的應(yīng)用層與之類(lèi)似，是根據(jù)智能家居的不同業(yè)務(wù)功能或服務(wù)需要建立相應(yīng)的應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)。這些應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)感知層采集的數(shù)據(jù)信息分析處理，之后做出決策并反饋給感知層，使其完成控制操作，從而實(shí)現(xiàn)智能家居的智能化控制。
二、無(wú)線(xiàn)智能家居應(yīng)用與功能
通過(guò)與傳統(tǒng)智能家居的功能的對(duì)比以及對(duì)無(wú)線(xiàn)智能家居特點(diǎn)的分析，無(wú)線(xiàn)智能家居應(yīng)該具有家庭通信、家庭智能控制、家庭安防與監(jiān)控、家庭環(huán)境環(huán)境監(jiān)測(cè)與節(jié)能管理及提供如家庭購(gòu)物、在線(xiàn)教育等管理功能。針對(duì)上述對(duì)無(wú)線(xiàn)智能家居的分析，本文設(shè)計(jì)的智能家居可以分為如下五個(gè)子系統(tǒng)：
（1）家庭安防監(jiān)控與危險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)：能夠?qū)彝?nèi)部的可燃?xì)怏w濃度、煙霧濃度意外斷電情況等進(jìn)行檢測(cè)；或者當(dāng)主人不在家時(shí)，有陌生人入侵進(jìn)行監(jiān)控。如果發(fā)生上述危險(xiǎn)，安防監(jiān)控與危險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)就能向主人發(fā)出報(bào)警信號(hào)，從而保障家居環(huán)境的安全。該系統(tǒng)由包含門(mén)磁感應(yīng)器、煙霧傳感器、可燃?xì)怏w探測(cè)器在內(nèi)的各種智能探測(cè)器以及智能家居控制器組成。
（2）家庭環(huán)境信息監(jiān)控系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)家居的溫度、空氣濕度、以及陽(yáng)光照射情況的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集并呈現(xiàn)給用戶(hù)，同時(shí)結(jié)合家庭設(shè)備控制系統(tǒng)和照明控制系統(tǒng)完成家居的智能化控制。該系統(tǒng)由溫濕度探測(cè)器、光強(qiáng)傳感器等眾多探測(cè)器以及智能家居控制器組成。
（3）家庭設(shè)備控制系統(tǒng)：通過(guò)傳感器得到的各種家庭環(huán)境信息或者用戶(hù)的人為控制信息，利用智能插座、智能開(kāi)關(guān)等設(shè)備達(dá)到對(duì)家庭內(nèi)部的家電設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制的目的。該系統(tǒng)由智能家居控制器、智能開(kāi)關(guān)的終端設(shè)備以及智能家電組成。
（4）家庭照明控制系統(tǒng)：完成對(duì)家居內(nèi)臥室燈光、客廳燈光等各種燈光的開(kāi)關(guān)控制及亮度調(diào)節(jié)。系統(tǒng)應(yīng)包含各種燈具、智能開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)器以及智能家居控制器。
（5）家庭訪(fǎng)問(wèn)控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩?hù)提供家居內(nèi)部訪(fǎng)問(wèn)和遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)兩種方式來(lái)訪(fǎng)問(wèn)、控制管理智能家居的環(huán)境信息數(shù)據(jù)和對(duì)家居設(shè)備的控制。近距離的訪(fǎng)問(wèn)方式可以直接通過(guò)操作智能家居控制器完成；遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)通過(guò)手機(jī)或者遠(yuǎn)端PC機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)。
三、基于藍(lán)牙的無(wú)線(xiàn)智能家居系統(tǒng)
無(wú)線(xiàn)智能家居的短距離的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)要求有很好的通信效率和穩(wěn)定性、10~100米的通信距離、較低的使用成本以及較低的能耗。藍(lán)牙小組（SIG）采用的藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)主要特點(diǎn)就是低功耗，其目的就是達(dá)到物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于短距離通信技術(shù)的要求從而進(jìn)入該領(lǐng)域。本文研究設(shè)計(jì)的基于藍(lán)牙的無(wú)線(xiàn)智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。按照功能劃分，智能家居接入系統(tǒng)設(shè)備可以分為藍(lán)牙傳感器采集裝置、智能家居控制器、智能家居設(shè)備控制裝置及訪(fǎng)問(wèn)控制裝置四部分。
藍(lán)牙傳感器采集裝置由藍(lán)牙通信模塊搭載煙霧傳感器、溫濕度傳感器等各種不同的傳感器組成，傳感器采集到的家庭環(huán)境的數(shù)據(jù)信息以及信息家電狀態(tài)信息通過(guò)藍(lán)牙通信模塊發(fā)送給智能家居控制器。設(shè)備控制裝備通過(guò)藍(lán)牙模塊接收智能家居控制器發(fā)送來(lái)的控制信號(hào)，完成對(duì)燈光、家電設(shè)備等家居設(shè)備的控制。智能家居控制器由核心的嵌入式系統(tǒng)搭載藍(lán)牙模塊組成，能夠通過(guò)對(duì)傳感數(shù)據(jù)信息進(jìn)行計(jì)算和分析，做出控制操作命令，或者將數(shù)據(jù)信息通過(guò)屏幕顯示出來(lái)。智能家居控制器可以實(shí)現(xiàn)家居內(nèi)部的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同外部的小區(qū)網(wǎng)絡(luò)或Internet通信，從而實(shí)現(xiàn)用戶(hù)通過(guò)遠(yuǎn)程Internet的方式訪(fǎng)問(wèn)智能家居控制器，控制和查詢(xún)整個(gè)家居范圍內(nèi)的各種設(shè)備和信息數(shù)據(jù)。
四、基于藍(lán)牙的智能家居控制器的總體方案設(shè)計(jì)
在上述無(wú)線(xiàn)智能家居系統(tǒng)中，智能家居控制器處于最重要的功能地位，它是家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的中央樞紐，也是家居內(nèi)外實(shí)現(xiàn)通信的紐帶。根據(jù)之前對(duì)無(wú)線(xiàn)智能家居系統(tǒng)的分析，智能家居控制器應(yīng)該滿(mǎn)足下述要求：
（1）低能耗智能家居控制器一般要求對(duì)家庭的安防與監(jiān)控提供24小時(shí)不間斷的服務(wù)，同時(shí)還要滿(mǎn)足控制器的可移動(dòng)性，所以要配備電池工作，這就要求家居控制器的功耗要盡量低；
（2）可靠性運(yùn)行在智能家居控制器上的軟件及硬件都應(yīng)該安全可靠；
（3）可擴(kuò)展性由于微電子以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，新設(shè)備、新功能及新業(yè)務(wù)層出不窮，所以要求智能家居控制器應(yīng)有良好的可擴(kuò)展性；
（4）用戶(hù)界面簡(jiǎn)便友好現(xiàn)在使用者不僅僅只對(duì)智能產(chǎn)品的功能有比較高的需求，更希望自己使用的設(shè)備界面友好，操作簡(jiǎn)單方便。因此，智能家居控制器的用戶(hù)界面應(yīng)該友好簡(jiǎn)單、操作上方便易用；
應(yīng)用于上述基于藍(lán)牙的無(wú)線(xiàn)智能家居系統(tǒng)的架構(gòu)基礎(chǔ)上的智能家居控制器是一個(gè)具有藍(lán)牙通信功能的嵌入式設(shè)備。在硬件方面，其處理器采用三星公司的S3C6410 ARM處理器，同時(shí)搭載了核心電路模塊以及外圍通信等模塊。智能家居控制器通過(guò)Enternet接口與小區(qū)網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行通信。在軟件方面以Android操作系統(tǒng)為平臺(tái)，根據(jù)不同的硬件模塊設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，同時(shí)按照智能家居的遠(yuǎn)程控制及現(xiàn)場(chǎng)控制功能的需要在軟件系統(tǒng)上搭建嵌入式Web服務(wù)器并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的應(yīng)用軟件。圖3展示了智能家居控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
其中采集裝置中的收集獲取的數(shù)據(jù)信息通過(guò)藍(lán)牙通信模塊傳遞給智能家居控制器，智能家居控制器中的藍(lán)牙通信模塊負(fù)責(zé)信息的接收和發(fā)送，并將信息傳遞給ARM處理器，ARM處理器負(fù)責(zé)信息計(jì)算處理。信息采集裝置接入智能家居控制器的系統(tǒng)如圖4所示。遠(yuǎn)程用戶(hù)通過(guò)Internet瀏覽器以及互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)智能家居控制器。
總結(jié)
本文首先根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)提出了一種采用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的智能家居體系結(jié)構(gòu)，之后分析了無(wú)線(xiàn)智能家居應(yīng)該具有的功能以及按照功能劃分了之智能家居系統(tǒng)。針對(duì)藍(lán)牙通信技術(shù)，研究分析了一種基于藍(lán)牙技術(shù)的智能家庭接入系統(tǒng)以及方法。最后，在以上的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)上，敘述了基于藍(lán)牙的智能家居控制器的總體方案設(shè)計(jì)。
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