物联网技术支持下的智能家居系统建设探究

曾浩

（南京科技职业学院，江苏南京，210048）

0 引言

物联网技术具备电信网、互联网等基础网络技术支持，将其应用于家居系统打造上，可以通过物联网技术实现家电智能终端的互联互通，打造智能家居系统，满足民众生活需求，提高民众生活品质，打造智能家居生活。

1 物联网技术、智能家居系统概述

1.1 物联网技术

物联网简言之物—物连接的网络，该概念于1999年首次提出，主要指各类信息感知IR感应器、射频识别（RFID）装置、GPS定位系统等传输设备，通过互联网组成一个庞大的互联网络。物联网同传统互联网不同，物联网并非是人与人之间通过互联网获得联系，而是指物品与物品之间的联系[1-3]。物联网出现主要目的解决传统互联网不可解决的问题，可以通过各类传感器同现有互联网相互衔接，将物品接入到网络之中。当前可以支持物联网的协议包括CDMA、IEEE802.1la/b/g WLAN、GPRS等。

1.2 智能家居系统

智能家居主要指以家庭房屋为平台，兼具家电信息化、住宅、通信网络、设备智能化，集服务、系统、管理、结构于一体，具有安全、高效、便利、舒适、低碳环保等特点，依据通信技术、计算机等技术，将同家居生活相关的各个子系统组成综合的有机体系，并高度集设备，形成自动化、安全、舒适的生活环境。智能家居不仅可以将家居转化为智能工具，改变人们对传统家居设备之间关系、设备本身的认识，而且通过智能家居可以为家庭生活提供舒适程度高、品质高、智能化家庭生活空间。智能家居系统主要包括成熟的自动控制、安全防御、音频视频编码处理、通信网络、综合布线等技术，将常用的灯光照明系统、电视音响设备、安防门禁系统、温控系统、家庭影院等连接在一起，采用编程手段，实现家居智能化运行，智能家居系统可以为民众提供高雅品质、舒适安全的家庭生活空间，提供信息的多层次功能，保持家庭信息畅通交流，便利生活[4-5]。智能家居系统作为未来家居生活的新趋势、新方向，发展前景广阔。

2 智能家居系统框架设计分析——基于物联网技术支持

2.1 无线通信技术比选

智能家居系统设计中，力求打造移动化、一体化、云端化全面发展的机具设备互通连接，满足生活需求。其中无线通信技术是保证各种家居设备可以有效互联的关键，当前可应用于智能家居系统设计中的无线技术包括Wi-Fi技术、Z-Wave技术、ZigBee技术、Bluetooth 技术等。不同的无线技术具备其自身的特点（详见表1），考虑到设计智能家居系统不仅需要分析内部组网需求，还需要考量外部服务器同内部家居数据传输，因此该系统设计中ZigBee技术用于智能居家系统控制设计，Wi-Fi技术用于外部服务器同内部家居通信连接。ZigBee技术通信可靠高、设备省电、自组织网络能力强、网络容量大、低廉，并使用128K高级加密技术，将其应用于内部组网之中，可以保证系统运行稳定与安全。Wi-Fi技术普及率高，可为数据传输提供良好传输通道。

表1 不同无线技术特点

2.2 智能家居系统框架设计

设计本智能家居控制系统采用传统的三层控制框架设计，包括设备层、网络通信层、控制层。（1）设备层。该层主要指包括终端设备节点，智能家电设备、能耗监测设备。智能家电设备包括机顶盒、窗帘、风扇、LED灯、洗衣机、智能影音、洗衣机、电烤箱等设；能耗监测设备包括水表、气表、电表等。设备层为底层结构，各设备内置ZigBee网络通信模块，可以实现设备相关数据及时采集与传输，家庭网关由ZigBee网络中的协调器担任，并在协调器上增加Wi-Fi模块，实现协调器数据传输。（2）网络通信层。该层主要由ZigBee网络、Wi-Fi网络及相关设备组成，主要负责实现设备层、控制层相关信息的传输，确保智能家居系统各项功能的发挥。通信层主要负责相关数据与信息的传递，一方面将来自于设备层相关数据传输到控制层，另一方面将来自于控制层相关指令传递到设备层，确保指令得以实现。（3）控制层。本层主要负责加剧设备等控制，在上层服务器管理所有ZigBee网络、ZigBee节点（设备内），管理设备器服务、数据库服务、数据包解析等，实现对设备层各设备的智能化控制。控制层设置能耗设备用量查询窗口，便于相关人员通过终端实现相关能耗信息查询，及时根据居家用电、用水、用气等情况缴纳费用。考虑到当前移动终端设备发展迅速，智能家居系统设计中，控制终端设计为PC端、Andriod智能手机终端，更为便宜对家居设备进行管控，为实时查看智能居家系统情况提供支持。

2.3 控制层智能控制系统框架设计

控制层结构主要包括客户端与服务器，在进行设计中结合智能家居实际使用需求，分别进行设计。（1）客户端框架设计。客户端可以满足智能家居系统控制与管理，客户端通过TCP/IP协议同服务器连接在一起，并通过服务器完成相应的对外服务器交互。系统可以为客户端提供数据查询、修改等服务。服务器与家居内传感器网络建立连接之后，客户端人机交互界面可以实现各种控制功能操作，用户可以通过相关界面实现家居的智能控制[6]。用户通过交互端利用预先设定好的程序，实现相关操作，确保智能系统各项功能均可以实现。（2）服务器采用模块化设计。考虑到智能家居涉及到相关设备多样，因此在系统设计中为降低开发难度，根据家居设备功能不同，设计多个功能模块，实现对家居设备的智能管控。同时将不同功能模块拆分成相互独立的部分，可以确保不同模块拥有统一接口，并通过自动加载模块，确保模块之间可以各行其责，完成相应的家居管理任务。服务器结构图见下图1。根据智能家居系统控制要求，将服务器设计为网络管理、子系统加载器、数据解析器三个不同模块。①子系统加载器模块。该模块负责完成具体业务逻辑，包括针对数据进行采集与将客户端指令生成相应的数据包。②数据解析器模块。该模块主要负责下行、上行相关数据解析和封包，属于公共服务范畴。可以确保系统实现数据上传、下载，确保整个系统各个数据快速传递，保证整个系统可以正常运行。③网络管理模块。该模块主要负责监听、开启特定的接口，管理Internet 网络、ZigBee网络接入情况，及时通知网络接入与丢失情况，并进行数据收发。

图1 服务器结构图

2.4 设备层智能控制系统框架设计

设备层主要由终端设备节点同相关家庭网关组成，在设计中采用 Mesh 网络规则拓扑结构（无线），ZigBee无线通讯。当系统开始运作后，可以对设备进行有效控制，在整个设备控制中ZigBee网络可以发挥不同作用。在设备层设计中，终端节点、协调器角色由ZigBee网络充当。当智能家居系统启动后，协调器当有其他ZigBee节点访问后，会对该节点是否允许加入进行分析，并赋予唯一的节点号为允许加入子节点。需要注意在设备层系统中，能耗监控节点较为特殊，其需要将具体水表、电表等同户内电力线路、家用电器等连接在一起，便于准确读取具体用电情况。气表、水表可以通过无线方式同能耗计相连，并能耗计将相关参数采集处理后，借助能耗测量模块，通过CC2530无线通信模块、串口相连，将相关数据传输到家庭网关，最后通过TCP/IP协议传送到服务器，并将相应数据存储到数据库中，用户可通过手机等终端查询相关数据。

3 智能家居系统软件设计、硬件设计

3.1 智能家居系统软件设计

软件设计可以配合硬件设计，实现家居的智能化控制，一般在智能家居系统设计中，包括能耗设备监控节点程序设计、家电控制节点程序设计、网络维护程序设等。（1）能耗设备监控节点程序设计。能耗设备监控节点设计中，需要满足本系统各个控制终端应答需求，考虑到该能耗节点主要功能为相关设备能耗数据超级与传输等。当设备启动后，能耗设备监控节点初始化，后进入数据采集，采集数据通过网络直接传输到控制层，同时相关数据可以在LED显示屏上显示。待控制层接收到相关数据，对设备运行情况进行分析，并根据数据情况发布切断电源指令，根据指令不同分别进入数据持续监测处理程序与电源切断操作程序。电源切断程序启动后，不仅需要完成相应的电源切断操作，同时将相关设备发送到无线模块，之后结束控制。能耗设备节点每间隔1分钟对相关数据进行自动处理与发送，便于动态化智能控制系统情况。（2）家电控制节点程序设计。家电控制属于智能家居设计的重点，在相关家电控制软件设计中，可以通过各个控制终端与服务器之间的应答与动作，实现家电的智能控制。该系统家电控制系统节点程序设计流程如下：开始—初始化—接受指令—节点地址相符（是进入下一步骤，否返回接受指令环节）—进一步解析数据—执行指令操作—发送反馈报文—结束。通过系家电控制节点相应程序，可以实现家电的控制，并当目的地址不匹配时系统会将接收到报文丢弃，直到目的地址相匹配为止。（3）网络维护的程序设计。家庭网关在建立传输层相关协议转换上具有重要意义，其在ZigBee网络中担任重要的协调器决策，可以实现ZigBee网络的建立。当网络启动后，节点、组件加入由协议栈来实现，网关相关节点编写与管理可以实现网络控制。各个节点设备相关数据经家庭网关协议转换器处理，借助TCP/IP网络实现数据上传与转发。各个节点子设备数据可以通过网关协议转换器、家庭网关等实现处理。控制层服务器接收到相关信息与指令后，通过TCP/IP网络发送到家庭网关，之后家庭网关对自己IP地址进行反馈，并通过广播接收到的信息发送到移动终端。

3.2 智能家居系统硬件设计

硬件设计可以确保相关设计的智能系统得以实现，实现智能化控制家居，提升整体居室环境，打造舒适温馨、智能的家庭环境。硬件设计主要涉及到智能家电设备控制节点、家庭网关节点、能耗监控节点、家庭医疗设备节点等多个节点设计。在硬件设计中，结合本系统主要功能，设计的硬件模块包括6个，分别为M25 P16无线下载存储芯片、CC2530 ZigBee芯片、ADE7755计量芯片、MAX30102心率血氧传感器、ADXL345三轴加速度传感器、IR001红外学习模块等。例如外围电路设计、ZigBee芯片选型。系统设计中网关节点、设备终端都涉及到相关ZigBee芯片，使用CC2530通信模块。为确保系统中CC2530通信模块可以实现，对相应外围电路进行设计，提供直流3.3V电源，2～3.6V电压等。