基于物联网的智能家居系统研究

贾雪松;周悦

【摘 要】对物联网和智能家居进行了研究。介绍了物联网的概念、组成及工作原理、技术构架和特征，并提出了基于物联网的智能家居系统的总体设计，其中家庭子网内部设备之间是基于ZigBee无线通信技术进行通信的，外部网络则是通过Internet进行通信。该系统实现了人到物和物到物的通信连接，从而能够实时、有效地控制家居设备。%The study of smart home system based on Internet of Things introduces the concept, features and technical architecture about Internet of Things and so on. Communication between devices within the home subnet is Based on ZigBee wireless conmmnication techno(ogy. (or hunmn). As a result, the system can control the The system implements the communication between thing to thing domestic equipments effectively. 【期刊名称】《现代建筑电气》 【年(卷),期】2012(000)009 【总页数】4页(P16-19)

【关键词】智能家居;物联网;ZigBee技术 【作 者】贾雪松;周悦

【作者单位】沈阳建筑大学信息与控制工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学信息与控制工程学院,辽宁沈阳110168 【正文语种】中 文

【中图分类】TU855 0 引言

随着社会经济的发展、人们生活质量的日益改善和生活节奏的不断加快，人们的工作和生活日益信息化。人们对于家居的要求已经不仅仅是物理意义上的生存空间，更为关注的是安全、方便、舒适的生活环境。现代家居设计理念越来越追求便捷化、高效化与智能化，家居产品已与计算机、网络通信技术紧密结合在一起，家居设备的高度智能化已成为一种强烈的消费需求。同时，随着传感器、半导作、嵌入式处理等技术的发展，智能家居系统越来越得到人们的重视，使得家居智能化成为一种发展趋势。

智能家居系统是将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安保装置，通过家庭总线技术连接到家庭智能化系统，进行集中或异地监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。正在兴起的基于物联网技术的智能家居系统［1］则是依照人体工程学原理，融合个性需求，将感应器嵌入到与家居生活相关的各个子系统，如安防、窗帘控制、信息家电等，通过现有的网络链接、控制和管理，实现“以人为本”的全新家居生活体验。 1 物联网

1．1 物联网的概念

物联网的英文名称为“Internet of Things，IOT”。物联网的概念最初来源于美国麻省理工学院，在1999年建立的自动识别中心(Auto-ID Labs)［2］提出了网络无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)系统——把所有的物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。 2005年，国际电信联盟(ITU)在突尼斯举行的信息社会世界峰会(WSIS)上正式确定了“物联网”的概念，并随后发布了《ITU Internet Reports 2005—the

Internet of Things》［3］介绍了物联网的特征、相关的技术、面临的挑战和未来的市场机遇。根据国际电信联盟(ITU)的定义，物联网主要解决的是物到物、人到物和人到人的连接［4］。早期的物联网是依托RFID 技术的物流网络，随着技术的发展，物联网的内涵已经发生了很大的变化。在新时期，物联网通过传感技术、RFID、无线通信等在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力和执行能力的嵌入式芯片和软件，使之成为“智能物体”，通过网络设施实现信息采集、传输、协同和处理，从而实现物与物、物与人之间的互联。 1．2 物联网的组成以及工作原理

典型的物联网由三大部分组成，即RFID系统、中间件 Savant系统和 Internet系统，如图1所示。

图1 物联网的基本组成框图

其中，RFID系统主要包括RFID电子标签(tag)、阅读器(reader)及数据交换和管理系统(processor)软件;中间件(Savant)系统由Savant服务器、对象名解析(Object Naming Service，ONS)服务器、实体标记语言(Physical Markup Language，PML)服务器及相应的数据软件等组成;Internet系统通常由计算机系统和网络服务器等组成。

物联网中的RFID阅读器可控制射频模块向电子标签发射读取信号，并接收标签的应答信号，同时可对电子标签的对象标志信息进行解码，从而将对象标志信息连带电子标签上的其他相关信息传输到Savant系统以供处理。通常其工作频段与电子标签上的频率是一致的。

在图1所示的物联网系统中，阅读器接收到来自电子标签的载波信息，并对接收信号进行调节和解码后，会将信息送至计算机中的Savant系统进行处理，处理后传送到 Internet，然后在Internet上利用ONS找到该物品信息所存储的位置，由ONS给Savant系统指明存储该物品有关信息的服务器，并将文件中关于该物

品的信息进行传递。 1．3 物联网的技术构架

从技术构架上来看，物联网可分为三层，由下至上依次为感知层、网络层和应用层。 感知层是物联网的基础，由各种传感器及传感器网关构成，包括CO2浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的主要功能是识别物体并采集信息。

网络层是物联息传递和服务支撑的基础设施，由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息，实现感知信息高可靠性、高安全性传递。 应用层是物联网和用户(包括人、组织和其他系统)的接口，正因为服务和应用是物联网的最终价值体现，所以需要与行业需求相结合，实现物联网的智能应用。 1．4 物联网的特征

从通信对象和过程来看，物联网的核心是物与物以及人与物之间的信息交互，物联网具有如下特征:

(1)全面感知［5］。物联网利用射频技术、二维码和传感器等感知、捕获和测量技术随时随地对物体进行信息采集和获取。

(2)可靠传输。物联网通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。

(3)智能处理。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能计算技术，对海量信息进行分析、加工和处理，实现智能化的决策和控制。 (4)多元化信息。在物联网中存在很多传感器，每一个传感器都是一个信息源，且传感器分为不同类别，不同类别的传感器所捕获、传递的信息内容和信息格式也存在差异。

(5)多视角过滤和分析。对海量传感信息进行过滤和分析是有效使用这些信息的关

键，面对不同的应用需求从不同的角度进行过滤和分析。

(6)多领域应用。目前，物联网的应用领域主要包括物流监控、智能检索、远程医疗、智能交通和智能家居等［6］。 2 基于物联网的智能家居系统 2．1 系统整体设计

本文设计的是基于物联网的智能家居控制系统，设计的目的是基于物联网技术将家庭中的家居设备连接起来，使传统家居设备具有网络化、自动化、智能化的新特征。该系统需要在家居设备上安装与之功能相对应的节点模块，各个节点模块将采集的信息经过处理之后，通过内部ZigBee家庭子网传输到家庭控制中心，家庭控制中心将信息传输到家庭网关，家庭控制网关响应用户远程提交的查询指令，通过网络将结果反馈到用户监控中心，用户控制指令按照相同的路径传输给节点模块，执行设定操作。

基于物联网的智能家居系统按照功能层次来分，一般由终端节点、家庭控制中心节点、家庭网关和监控中心几部分组成，如图2所示。 图2 智能家居系统结构图

家庭子网内部设备之间是基于ZigBee无线通信技术进行通信的。在对智能家居系统的家庭子网进行构架时，主要关注的是低速率、低成本的通信手段和组网方式。而相对其他无线技术而言，ZigBee是一种短距离、低功耗、低速率和低成本的无线通信技术［7］，主要适用于自动控制和远程控制领域。家庭控制网络是整个智能家居控制系统的神经和核心，对于家庭控制网络而言，ZigBee能满足其要求。 外部网络主要通过Internet连接网关和监控中心，用户可随时随地通过Internet来对系统进行管理和控制，也可对终端节点进行数据访问。 2．2 各部分的组成及功能 2．2．1 智能终端节点

系统的终端节点主要进行环境温度、湿度等各种数据的采集，对非法闯入、火灾或有毒气体等意外灾难情况的探测以及各种家电设备的控制。终端节点模块的结构主要由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块4部分组成。传感器模块负责检测区域内信息的采集和数据转换;处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;无线通信模块作为系统中各网络节点的通信接口，进行网络中各节点设备的网络连接，与其他传感器节点交换控制信息和收发、采集数据;电源模块为传感器节点提供运行所需要的能量，通常采用微型电池。终端节点模块结构图如图3所示。 图3 终端节点模块结构图 2．2．2 家庭控制中心节点

家庭控制中心节点为全功能设备(Full Function Device，FFD)，是家庭控制网络的主控设备，功能较为复杂，主要负责监督网络的正常运行。一方面由它主导ZigBee传感器网络的建立，完成系统的初始化、网络的建立、地址的分配和成员的加入、节点设备数据的更新、设备控制和数据采集等功能;另一方面作为家庭网关和设备节点之间的桥梁，完成家庭网关和家居设备节点的通信。家庭控制中心节点和家庭网关之间使用串口连接，可将数据上传到家庭网关中。 2．2．3 家庭网关

家庭网关在该设计中充当网络接口单元，既可以与家庭内部子网中的设备进行通信，还能与外部Internet进行直接的连接。

家庭网关主要完成家庭内部网络各种设备之间的信息交换和信息共享，以及与外部通信网络之间的信息交换功能，同时还负责家庭设备的管理和控制。家庭网关将外部网络中发送来的控制命令通过家庭子网传递到相应的家居设备，起到信息通道的作用。它可以从不同的外部网络接收通信信号，通过家庭网络传递给某个终端设备。家庭网关并不只是一个简单的协议转换设备，更是一个对外的家庭内部网络控制接

口。从结构上看，家庭网关是家庭外部TCP/IP网络和局部家庭网络直接的连接点。 2．2．4 监控中心

监控中心可以是计算机或是手机等移动终端设备，用户可通过监控中心远程登录到智能家居管理系统，对系统进行管理和控制，对家中终端节点进行数据访问和控制。 基于物联网的智能家居系统将家居中各种设备互联，以实现人与设备、设备与设备之间的沟通。如家中无人时，门被打开，门磁侦测到有人闯入，则将闯入报警通过网关发送给主人手机，手机收到信息发出震动铃声提示，主人确认后发出控制指令，电磁门锁自动落锁并触发无线声光报警器发出报警。 3 结语

本文针对基于物联网技术的智能家居系统进行了研究，主要完成了系统的总体设计。该智能家居系统是以物联网为基础，建立起来的一套智能家居控制系统。由于ZigBee具有短距离应用、结构简单、低功率消耗和低速率的特点，家庭内部子网设备之间采用ZigBee无线通信技术进行通信，网关与监控中心之间则是通过Internet进行通信。整个系统实现了人到物和物到物的连接，实现了家居设备的智能化。未来的工作就是测试和整个系统应用于实践。

［1］ 臧大进，刘增良，，等．基于物联网的智能家居系统设计与实现［J］．襄樊学院学报，2010，11(11):37．

［2］ AutoID Labs Homepage［OL］．http://www．autoidlabs．org ［3］ International Telecommunication Union，Internet Reports 2005:The Internet of Things［R］．Gemeva:ITU，2005．

［4］ 沈苏彬，范曲立，宗平，等．物联网的体系结构与相关技术研究［J］．南京邮电大学学报，2009，12(6):2．

［5］ 孙其博，刘杰，黎羴，等．物联网:概念、架构与关键技术研究综述

［J］．北京邮电大学学报，2010，6(3):3．

［6］ 朱仲英．传感网与物联网的进展与趋势［J］．微型电脑应用，2010(1):1-3． ［7］ 蒋挺，赵成林．紫蜂技术及其应用(IEEE 802．15．4)［M］．北京:北京邮电大学出版社，2006．