结合智能家居的物联网实验教学探索

杨宏伟，朱红梅，韩永林

(长春理工大学计算机科学技术学院，长春 130022)

目前，世界发达国家为了推动信息社会发展，提出建设“无所不在的网络社会”，并将其作为国家或地区信息化发展的重要组成部分。以物联网、云计算、下一代互联网和下一代移动通信技术等为代表的新一轮信息技术革命正在催生新技术、新产品、新应用和信息产业群［1－2］。

物联网主要应用在智能电网、智能交通、智能物流、智能绿色建筑、智能检索、环境监测和智能家居等领域。其中智能家居因其应用前景广阔、潜在市场需求巨大、发展迅猛受到社会广大关注。智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术和影视技术，实现家居设备的集成，从而构建高效的住宅设施与家庭日常应用的管理系统，满足用户对家居生活安全舒适、便利环保等要求［3］。

物联网实验紧密围绕课程教学大纲，结合单片机、嵌入式系统及智能终端等软硬件平台，可以全方位覆盖物联网的感知与标识、通信与网络、接入与处理三个不同层面的各项核心关键技术。在物联网实验教学的探索过程中，智能家居是一个非常典型的应用。

智能家居系统利用无线射频技术(RFID)来实现信息传递并通过所传递的信息，达到自动识别的目的。该系统将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加美好［4］。

一、智能家居系统功能需求

智能家居系统的基本功能是将信息家电组合成一个智能化网络，并能够进行安全防范报警，主要包括安防系统、联网及联动抓拍三个部分。

安防系统:在家居环境内，提供煤气监控、门窗防盗监控、安全防火、防盗监控等安防子系统，也可以根据实际需要自定义安防系统。

联网:智能化家居网络系统建立在智能小区局域网平台上，并能将其连入计算机互联网。如果发生警情，报警信息能够及时上传至智能小区管理中心，保安人员会及时与业主联系并上门服务;同时报警信息业能够及时发给设定好的相关固定电话和移动手机;室内报警系统也会发出声光报警信号。

联动抓拍:不明身份人员入侵家居环境后，触发探测器，启动摄像机及时抓拍其图像，并保存在预置分机中。

根据本系统功能需求，具体阐述其总体构架及设计部署。

二、智能家居系统总体架构

智能家居系统中的各子系统以应用模块的方式存在，包括感知层、网络传输层和信息处理层三个部分，是一个典型的物联网DCM三层架构，如图1所示。

图1 智能家居系统总体架构

其中信息处理层是整个系统对外展现的窗口，提供个性化的用户界面，它包括许多通用组件，如报警监控、实时监控、视频监控及系统查询、配置、管理等;网络传输层提供用户界面所需的经逻辑处理后的所有数据，它控制与其他子系统的通信和中心数据库的连接及业务处理。同时将各种通信接口以插件安装的形式集合在通用通信网关中，以统一的XML数据格式，将本系统与其他子系统联通;感知层针对要集成的对象，如视频监控、安防系统、联动控制系统等，对其要监测的内容进行部署［5］。

三、智能家居系统设计及部署

家居智能化网络具有易变的网络拓扑，可根据需要进行自组织，自动实现网络配置，从而保持网络的连通性。自组织过程结束后，网络进入正常运行阶段。本系统包括远程监控中心和现场监控网络两部分。远程监控中心主要由服务器、数据库系统与应用软件和GPRS通信模块组成。现场监控网络主要由无限传感网络实现，包括监控中心节点和监控终端节点。监控中心节点由GPS接收机、单片机、射频模块和GPRS通信模块组成，监控终端节点由传感器和射频模块组成。由GPRS网络实现远程监控中心和现场监控网络之间的通信。其现场网络部署如图2所示。

图2 智能家居系统设计部署

智能家居系统是一个以智能网关为中心协调器所组建的ZigBee星状网络。在家居环境中安装的各种安防检测模块节点，一旦监测到异常情况，立即会将立即情况的具体信息发送到家居智能网关;家居智能网关对接收到的信息进行相应的处理，如现场声光报警、无线报警或者通过智能小区局域网连至计算机互联网做相应的处理。

(一)智能网关

家居智能网关是通信、决策、报警的核心，部署在智能家居网络中心，它一方面利用ZigBee网络，对布防在家居环境中的各个安防监测模块节点进行数据采集和处理，同时实现对家居内部网络设备的管理和控制;另一方面通过GSM模块实现与外网用户的远程通信。当检测到异常情况时，智能网关通过GSM模块向远端用户发送报警短信息或者自动拨打报警电话，实现远程无线监控。

图3为智能网关的组成原理示意图，主要由PC机、GSM模块、现场报警模块和射频模块组成，可以 RF、WLAN、WIFI、RS－485等通信方式实现通信。射频模块采用TI公司的CC2430和CC2591。CC2430在整个芯片上集成了ZigBee射频前端、内存和微处理器。CC2591集成功率放大器、平衡转换器、交换机和RF匹配网络等，最大输出功率达22dBM，通信距离可达30 m。

图3 智能网关组成原理示意图

(二)安防监测节点

在家居环境中可能出现安全隐患的区域部署各类安防监测模块，形成安防监测感知节点。根据监测环境参数的不同，部署不同的无线传感器，如温度、湿度、烟雾、红外或振动等无线传感器。

(三)ZigBee自组网技术

智能家居系统按照接入网络的复杂程度，采用RFID简单接入和多跳接入两种形式。简单接入是在采集设备获取信息后，通过有线或者无线方式将数据直接发送至承载网络。多跳接入是利用传感网技术，将具有无线通信的微小传感器节点通过自组织方式，自主完成网络自适应组织和数据的传递，ZigBee自组网技术已成为多跳接入方式的核心。

本系统在部署安防监测节点后，采用ZigBee技术实现无线自组网络。在软件设计上包括初始化程序、发射程序、接收程序、协议栈配置、组网方式配置程序以及各处理层设置程序。初始化程序主要对CC2430、USAR串口、协议栈、LCD等进行初始化;发射程序将所采集的数据通过CC2430调制并通过DMA直接送至射频输出;接收程序完成数据的接收并显示、远传及返回信息处理;PHY、MAC、网络层、应用层程序设置数据的底层、上层的处理及传输方式。具体采用主从节点方式传送数据，将与GPRS连接的网关节点作为主节点，其它传感器节点作为从节点，从节点可以向主节点发送中断请求信号。从节点打开电源，初始化，建立关联连接后直接进入休眠状态。当主节点接收到中断请求时触发中断，激活节点，发送或接收数据包，处理完毕后继续进入休眠状态，等待有请求时再次激活。通信流程如图4所示。

图4 ZigBee通信流程框图

除ZigBee通信系统外，本系统还结合用户端的数据库系统设计方法，采用Access数据库平台和ADO数据库连接技术，并使用Delphi编程语言实现界面、管理、查询操作以及GPRS平台上的数据收发［6］。

(四)数据库管理软件设计

位于智能家居系统网络层的数据库服务器，汇聚了由感知层传来的各类节点的数据信息，为了将更多有效信息归纳汇总，并且实现最终的智能分析管理，就需要利用数据库管理系统。本系统采用Microsoft SQL Server 2008作为数据库管理系统，并通过安防信息采集，用户自定义设置和设备状态监控等模块的管理，来满足智能家居的具体需求。

四、结束语

本文在围绕物联网实验教学大纲的基础上，从实际应用需求角度出发，以智能家居系统设计为例，阐述整体架构及总体设计部署方法，结合ZigBee通信技术，提出一种有效的智能家居设计理念。通过实际案例，改革教学方法，培养学生的科研兴趣、创新思维和综合实践能力，进一步促进实验教学质量的提高。

［1］ 国务院发展研究中心技术经济研究部．物联网影响未来［M］．北京:中国发展出版社，2011:1－3．

［2］ 俞文俊，凌志浩．一种物联网家居系统的研究［J］．自动化仪表，2011(8):56 －59．

［3］ 刘云浩．物联网导论［M］．北京:科学出版社，2012:341－342．

［4］ 周洪波．物联网技术、应用、标准和商业模式［M］．北京:电子工业出版社，2011:340－341．

［5］ 刘化军，刘传清．物联网技术［M］．北京:电子工业出版社，2011:270 －285．