基于物联网技术的智能家居系统的研究

蔡 静

（武昌工学院信息工程系 湖北 430065）

0 引言

随着计算机技术的不断发展，设备智能化已经成为了一种新型的发展趋势，对于家庭而言，采用新型的家居智能化成为了人们追求舒适成活、安全管理以及高品位的理想生活。物联网的诞生正是由于人们对于理想生活的追求。本文将通过设计出一套通过互联网、移动终端网络、无线传感网络构成的基于物联网的智能家居系统。本系统具有通讯、安防、智能控制等功能，其主要通过总控主机对各个分界点进行管理控制，用户可以通过在外部的电脑上网或者手机短信发送的方式，对家庭当中的空调、电冰箱、洗衣机等家用电器进行控制，并可以实现各个智能家居的远程控制功能。

1 物联网技术

物联网可通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，让声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种信息，与互联网结合形成的一个巨大网络，实现智能化识别和管理。目前，构成物联网的最基础、最核心、最广泛的传感单元广泛采用ZigBee技术，只需要很少的能量，就能将信息数据以接力的方式通过无线电波在网络节点之间进行传播，通信效率非常高。这种技术具有低功耗、抗干扰、高可靠的特点，易组网，易扩容，易使用，易维护，便于快速大规模部署。其应用范围包括便携式电子设备、智能化交通管理、环境状况监测、智能家居、公共安防等领域。

从系统角度看，物联网可划分为一个由感知互动层、网络传输层和应用服务层的3层体系。

2 智能家居系统

智能家居，又称家庭自动化，是基于住宅并整合建筑、信息家电、设备自动化、网络通信，集结构、系统、管理、服务为一体的高效、安全、舒适、便利、环保、节能的居住环境；利用网络通信技术、综合布线技术、安全防范技术、音视频技术、自动控制技术，将与家居生活有关的各个子系统有机地结合在一起形成高度智能化的智慧家庭。智能家居系统是实现智能家居智能化的设施，主要包含八大子系统：家电智能控制子系统、家居安防控制子系统、家庭环境控制子系统、家庭能量管理（三表抄送）子系统、家庭自动化子系统、家庭信息处理子系统、家庭娱乐子系统和背景音乐子系统。与普通家居相比，智能家居把原来被动的静止的家居结构转变成能动的智慧的智能家居工具，提供全方位的信息交换和控制功能，帮助家庭内部与外部保持信息交流畅通，提升人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性和便利性，甚至为各种能源费用节约资金。

3 基于物联网技术的智能家居系统

智能家居设计的出发点是为住户营造一个安全、舒适、便捷、高效的生活环境。因此智能家居控制系统的硬件应具有一定的先进性，防止因技术进步而导致硬件系统过早的升级淘汰而使构造成本增加。软件系统要有良好的增长性，方便系统的维护与升级。智能家居先要在家居中建立一个通讯网络，为家居内数据提供必要的传输介质，在家居网络操作系统的控制之下，由相应的软、硬件执行机构，完成对接入家庭网络当中的各种节点与设备进行监测与控制。其次，还要透过一定的媒介，构成与外界进行通信的信道，用来完成与家庭外的世界沟通信息，满足监测、远程操控以及信息交换要求，根据系统要实现的功能，给出了整体的框架设计方案和软硬件系统方案。

3.1 系统的总体框架设计

物联网环境下的智能家居系统融合了无线传感器网络、Internet、人工智能等多种先进技术。本文采用分布式控制方式对智能家居的各部分进行统一的管理和控制，主要包括家电部分、环境控制（包括温度、湿度、照明、窗帘等）、安防报警以及远程控制操作部分。每个部分由多个通讯终端构成，即多个节点构成，节点之间相互独立，也就说其中一个节点的工作与否不会影响到另一个节点的正常工作，具体的总体框图如图 1所示。

图1 智能家居系统的总体框图

3.2 硬件系统的设计

首先，智能家居系统的硬件部分的核心就是系统的微控制器，主要负责采集数据，包括温度、湿度、光照等。基本要求就是：能够处理图像、声音和数据等信息，具有长期值守的能力。所以要求其性能稳定，处理速度快，功耗小。具有睡眠激发功能，无特殊情况设备下处于睡眠模式，可中断或远端唤醒。可以选择移动的 ARM系列平台，具有丰富的外围接口，支持嵌入式操作系统。其次，在智能家居系统中的无线传输网络当中，可以根据需要选择不同的无线传输技术。本文以Zigbee技术为例，Zigbee协调器（PAN）的任务是建立Zigbee网络并进行从节点（RFD）的事物管理，还要从各个节点采集数据然后进行分析和处理，并通过串口电路与微控制器连接和通信。Zigbee协调器的射频天线用来发送与接收电磁信号，LCD显示模块对界面菜单进行操作与显示。然后，Zigbee网络中的终端设备节点即探测传感器节点，是Zigbee网络的重要组成部分，它负责对各个子功能模块的数据进行采集并发送到Zigbee协调器。

3.3 软件系统的设计

图2 智能家居系统操作系统软件流程图

软件部分包括操作系统部分和应用程序部分，操作体统选用源代码开放的uc/os-II，在进行操作系统移植的过程中，要修改相应的文件分别是：OS_CPU.H文件，根据不同的CPU河编译器，需要对数据类型、常量、宏进行修改；任务的堆栈以及增长方向进行修改；还有一些汇编语言函数如OSStartHighRDY（）、OSCtxSw（）等。根据智能家居系统功能的划分，软件也应该对相应的模块进行程序设计。包括远程控制、安防报警功能、环境控制功能、家电信息等。不同的模块视为一个任务，每个任务都设定不同优先级，其中最高优先级为安防任务，环境控制任务，远程控制任务和家电信息任务。主程序任务主要是创建其他的任务，默认首先创建的是安防报警任务。其流程图如图2所示：

从图中可以看到，系统上电后，首先进行系统初始化，然后是相关的硬件系统初始化，在进行通信设备的初始化，然后加载嵌入式操作系统并进行其初始化，启动 uc/os-II的函数OSTaskCreat（）创建各模块功能任务，由于安防报警任务的优先级最高，先得到运行权利。当有其他功能模块任务被创建时候，就把安防报警任务挂起，然后运行结束退出后，再恢复运行安防报警任务。对于应用程序部分主要包括温度控制部分、安防报警部分、家电信息部分的应用程序。

4 结语

本文从理论上分析和研究了物联网下的智能家居系统，分别对其整体的系统设计、硬件部分设计和软件部分设计进行阐述。使用嵌入式操作系统UC/OS-II开发的智能家居系统，操作更加方便，界面更加友好，是未来智能家居系统发展的主流模式。智能家居系统是一个复杂而又多科交叉的系统工程，涉及到通信、计算机、自动化、建筑等多个领域的知识和技术，将会有更大的发展。

[1]杨晨，嵌入式智能家居控制系统的研究.[硕士论文]2007.

[2]王晓东，基于嵌入式S3C2410X微处理器的智能家居控制系统研究与实现.[学位论文]2007.

[3]臧大进，刘增良，高于，杨人超 ．基于物联网的智能家居系统设计与实现[J]．1．铜陵学院电气系，安徽铜陵244000；2．中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州 221008 2010：38—39.