基于物联网智能家居的设计

张俊杰

（苏州科技大学，江苏 苏州 215011）

1 物联网的技术概述

1.1 物联网技术

随着时代不断发展，物联网技术是基于信息技术产业的第三次革命，通过利用传感设备，将信息量通过网络输入到平台，使得各层实现信息的置换与监督。

1.2 物联网体系结构

物联网技术的发展使得它有个较为完整的体系，基本结构包括应用层、网络层以及感知层。从最初的感知层通过传感器等将数据打包上传至网络，云计算平台通过数据处理后进行储存，在应用层需要数据或信息时，实现数据的交互。当然，信息的传输不是单向的，而是交互式互相控制的，最终信息也会发送至用户的终端设备[1]。

1.3 物联网核心技术

随着物联网技术的出现，其核心技术成为了人们的研究对象，主要包括无线传感网络技术、RFID技术以及云端技术。

1.3.1 无线传感网络技术

无线传感网络是将大量小体积的传感器节点以自由组织的独特形式组成的网络，它的特点包括网络覆盖规模庞大和自组织后成网的能力强等，但传输能力非常有限。相对于有线网络，低宽带成了无线传感网络技术的天然障碍。在众多的传感器节点中，每一个小节点就是一个单独的系统，通常由传感器模块、处理器模块、无线模块以及能量供应模块组成。传感模块通常采用微型电池来缩减面积，无线传感器网络中通常也分为汇聚节点和传感器节点。汇聚节点通过网关在传感模块传输的数据将错误的报告消除，整合数据对事件进行判断，在无线传感技术中起着重要的作用[2-5]。

1.3.2 RFID技术

RFID技术被称为无线射频识别技术，它的原理通常由阅读器接收射频信号，产生感应电流后自动搜寻相对应的信息，从而让应用程序做出相应反应。RFID技术基本构成包括读写器、天线、中间件以及应用软件。一般来说，用来识别识别对象的标签在物体上只有一个对应的电子编码，在无法对应编码的系统中不会产生感应电流，因此具有防盗作用。

1.3.3 云端技术

云端技术最早是Amazon开发的一个软件技术，应用在购物平台，随后各大公司也跟进了这项技术。所谓云是指由多个强运算能力计算机所组成的中心，各个终端通过连接网络，让虚拟网络来处理数据。在虚拟化的平台利用大主机运作，全程计算机模拟实现0硬件成本，这对于创业初期者来说是一个福音。

2 智能家居的硬件设计

2.1 中央平台设计

中央平台设计时需要考虑其维护及功能，在多个终端连接后出现故障是否能够简单快速被处理，同时主控制器也需考虑其CPU稳定性。主控制器是核心部分，在选用时应考虑成本、功能、运算速度及接口方式等。基于研究，目前通用的设计采用Zigbee芯片作为网络通信的核心硬件，负责大数量的数据采集。在选用系统平台后，中央处理器会对各个端口进行监控及管理，终端通过连接网络或蓝牙上传至中央控制器，中央控制器再对其进行分析做出回应。

2.2 主节点设计

主节点即由协调器完成的节点，是中间设备，主要作用是由设备终端向上层传输指令。通过主节点后发送至相应的数据串口，通过协调器的协调作用上传至上位机等待下一步的处理。该节点需要网络的支持，同时协调器也可通过增加或减少路由节点来实现对网络的稳定性控制。主节点的设计结构如图1所示，它由电源模块、CC2430无线通信模块、键盘输入模块、串口模块、显示模块、仿真器接口以及主机组成，用于建立无线通信网络与节点的绑定，接收到终端的数据后归总采用串口有线的方式将下层的数据发送至上位机，等待下一步的指令[6-9]。

图1 主节点设计

无线通信模块负责建立无线网络，同时由该模块收集信息与数据并分配至各节点，保证节点的顺利加入，实现信息与数据的交换。电源模块是稳定电源，保证各节点的稳定输入，串口模块负责上下交接，将CC2430模块与上位机相连，仿真器模块负责程序下载，而键盘电路负责发布命令。

2.3 终端节点设计

如图2所示的设备终端在智能家居中有采集信息的作用，同时也是控制系统的执行者，当客户使用终端或是远程操控做出反应时，设备终端需要将需要的信息传输至主节点。在本系统中，设备终端有无线通信模块，即CC2430，它的功能是建立网络和中央平台进行数据交换。环境监测模块的功能是对室内环境进行监控，显示室内温度与湿度信息，若室内某项值达到报警值则收集报警工作状态进行汇报。继电器驱动模块用于驱动自动窗帘、照明以及报警等设备开关，红外模块的红外收发功能用于控制电视机机顶盒、遥控器以及空调等具有红外设备的家居。事实上，目前安卓的红发收发功能已经能够自由控制空调等设备，未来的控制终端集成于一个控制器上也是一个趋势[10,11]。当然，为了满足客户的个性化设备接入需求，还能增加需要控制的设备，只需通过连接接口进行注册。

图2 终端设备结构图

3 智能家居的软件设计

3.1 家电控制节点程序设计

家电控制软件的设计与编程所要符合的要求包括对终端上传的数据进行自我判断和处理控制。当中段出现问题时，向中央平台报告，同时也需要向家庭网关反馈状态。系统通过上传的报文判断地址，当目标地址不符合时，节点中负责接收数据的模块收到终端的报文后将丢弃报文，如果匹配则进行下一步判断。判断报文是否符合它的设备类型，如当报警装置的发出指令出现在了空调等无关因素的设备上时，数据模块需要判断后进行修改，最后经CC2530串口发送至执行器后进行操作，且向主服务器发送反馈。家电控制节点软件设计流程如图3所示。

图3 家电控制节点软件设计流程图

3.2 监控节点程序设计

监控节点主要用来收集一些数据信息，起到监督作用。其在采集设备数据后会接收服务器的命令，主要负责信息的上传。

系统的监控设备终端节点系统初始化后，各个节点开始采集能耗数据，温度湿度探头等会将数据及能源消耗投放在LED屏幕上。在接收数据的模块接收到中央服务器的命令后，当温度过高时数据通过监控节点上传至服务器，服务器会下达降温的命令。在完成降温后，温度趋于稳定，监控系统再次进行监控，上传二次数据至服务器。当然，监控节点采集到的数据每隔一段时间便会自动发送至家庭网关，家庭网关上传后会对数据进行备份和储存。另外还有能耗监控系统，其主要目标是记录一周或是一个月的家庭能耗数据并上传，上层服务器再将数据传输至用户终端设备，用户终端设备也可根据自己的需要将能耗降低。能耗监控存在一定的滞后性，因此需要根据监控数据推测未来变量，使服务器提早控制能耗。

3.3 网络维护程序设计

网络是智能家居的基础，做好网络维护更是关键。家庭网关是建立在物联网和计算机通信网络层之上的协议，在整个系统中担任协调器的作用。在上电运行后，ZigBee的网络建立，家庭网关负责数据的接收与传输。家庭网关与各节点及PC端连接，网关节点的信息处理通过编程来实现。各个节点的子设备通过TCP/IP连接，向上层传输数据进行处理。在上层服务器接收到用户终端设备的指令后，做出反应将数据传输至网关的各个节点，网关会将自己的IP地址反馈给上层服务器，上层服务器接收到IP地址后会以广播通信的方式将用户端的数据发送至数据终端。其中网络如果出现问题，那么家庭网关节点的IP地址会自动断开，网关会将信息反馈至上层服务器，终端设备接收到报错后会显示哪个环节出现问题并根据问题所在地进行网络维修与维护。在网络恢复后，中心服务器会储存数据与IP地址，计算机的记忆功能用途较为广泛，在物联网中更是不可或缺。

4 结 论

随着物联网的飞速发展，云端成了一个大体趋势，越来越多的领域涉及到了物联网，智能家居也不例外。随着服务器的更新换代，处理与计算数据的速度也越来越快，由中央控制系统组成的智能家居，在家中有很多个节点，每个节点发挥不同的作用。智能家居的智能体现在系统有着明确分工，由中央服务器进行命令发配，各节点协调从而达到和谐的目的。硬件由服务器、节点及设备终端组成，其中有着物联网云端服务功能的中央系统最为重要。软件通过逻辑编程使系统进行可视化运作，所有数据储存在服务器中最后传入用户设备终端。物联网在智能家居中的应用有着很大的优势，未来智能家居将更加依赖于物联网技术，智能家居的设计也会趋于多样化，给用户提供所需要的产品。