智能家居中的M2M教案.docx
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智能家居中的M2M教案
智能家居中的M2M
应用与解决方案
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摘要：
本文介绍了M2M技术在智能家居中的应用和方案解决的问题。
主要包括了智能家居中的体系架构、功能架构，也说明了M2M技术在智能家居中的通用特征和特定特征，以及其具有怎样的触发需求。
同时，对其数据流量进行分析，并说明了系统的配置问题。
最后，总结了智能家居的发展。
关键词：
智能家居；M2M技术；体系架构；家庭网关
一、引言
随着国民经济和科学技术的发展，仅仅舒适安全的普通家居已经不能满足人们的期望。
在当今这个信息社会，人们期望的是一个具有能动智慧的家庭环境，于是，智能家居应运而生。
智能家庭局域网、家庭网管、信息家电等这些与智能家居密切相关的名词已经几乎是家喻户晓。
如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统已经成为当前社会的一个热点问题。
M2M技术的提出在智能家居的应用领域给人们提供了一个全新的解决方案。
2、用M2M完成智能家居的“集成”
将M2M技术应用到智能家居中，需要解决两个问题：
一是解决家庭内部设备组网问题。
建立智能家庭网络，使得家居内部所有设备，包括灯控模块、电动窗帘、电子门窗、安防系统、音频/视频设备、数码设备、电脑、智能电器等，都具备通信和连网能力，形成统一的智能家庭网络。
二是解决智能家庭网络如何与外部通信网络连接的问题。
使得智能家庭网络成为移动互联网和通信世界的一部分。
其目的是使人们能够更简单地远程监视和控制自己的家居，可通过手机、互联网对家庭进行管理，为用户提供方便。
三、智能家居中的体系架构
1、感知层
在智能家居中，感知对象分为人们所生活的家庭环境和人本身，通过各种传感器，实现对家庭内部的全面感知。
传统的智能家居8大子系统可作为感知层的执行设备。
除此之外，物联网智能家居系统还应用了许多典型的感知技术，比如无线温湿度传感器，无线门磁、窗磁，无线燃气泄漏传感器等。
2、网络层
物联网中的网络层包括各种通信网络与互联网形成的融合网络，除此之外，还包括家居物联网管理中心、信息中心、云计算平台、专家系统等对海量信息进行智能处理的部分。
在智能家居中，网络层不但要具备网络运营的能力，还要提升信息运营的能力，如对数据库的应用等。
在网络层中，尤其要处理好可靠传送和智能处理这两个问题。
3、应用层
利用云计算技术，降低智能家居的硬件投资成本，把大量的处理放在了家庭外部。
同时这也为家庭内部的复杂计算提供了可能，借助人因工程、心理学、临床医学、营养学、模式识别、机器视觉、语言识别等技术，建立智能家居云感知模型，实现家庭内部的语言感知、物品感知、用户习惯感知、用户行为感知、家庭事件感知、情绪感知、健康感知。
并为家庭服务商提供第三方接口，提供便于人们生活的各种服务。
四、系统的功能架构
智能家居是以住宅为平台，利用先进的计算机技术、网络通讯技术和综合布线技术，将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，并将与家庭生活有关的设备进行集成，以构建高效、舒适、安全的生活环境。
除了提供舒适、安全、高品位的家庭生活空间外，智能家居还可将家居生活由原来被动静止的结构转变为具有能动智慧的工具，从而提供全方位的信息交换功能。
事实上，智能家居系统是用于实现家居智能功能的设施，如图所示是一个智能家居系统功能示意图。
上图所示的智能家居系统主要包括8个子系统。
其中，智能照明控制系统可以实现灯光照明的多样控制、远程控制以及联动控制。
其优越性：
一是具有良好的节能效果，二是可以延长光源寿命，三是可以改善生活环境，四是可以实现多种照明效果以及场景灯光控制。
智能安防系统可以实时监控非法闯入、火灾、煤气泄漏、紧急呼救的发生。
一旦发生警情，系统可以向预设的电话或者110报警，同时启动本地的声光报警，并使相关电器进入应急联动状态；如果是非法入侵，还可以通过视频保留证据，最大程度地保护住户的生命财产安全。
家庭环境控制子系统主要实现对室内环境信息的实时监测，包括温度和湿度信息。
该系统主要实现的功能是对室内温度和湿度信息的采集；当用户需要查询环境信息的时候，通过网络传送温度和湿度信息。
背景音乐子系统就是在任何一间房子里，包括客厅、卧室、厨房以及卫生间，均可布上音乐线，通过1个或者多个音源，使每个房间都可以听到美妙的背景音乐。
家庭娱乐子系统可以集游戏、家庭影院、家庭KTV为一体，让用户足不出户就可以在家里体验全方位的家庭娱乐。
家庭能量管理子系统主要就是实现电表、水表、燃气表的三表抄送，免去工作人员上门抄表的麻烦，同时，用户也可以实时检测加重水电燃气的使用情况。
家庭信息处理子系统智能家居系统的核心，既是家庭信息的交通枢纽，又是家庭信息安全的保护神。
信息处理中心主要功能是：
实现家中不同的家电的互联信息处理；家庭内部网络与外网的数据交流；处理远程操控命令、采集传感器信息，处理监控采集的视频信息；解析报警信息并实时上报给用户；实现对用户的权限认证，确保家庭信息的安全性。
信息处理中心相当于智能家居网络的服务器，是一个独立、智能、灵活多变、标准化的家居网络系统接口单元，它通过各种途径从多种多样的外部网络接收通信信号，然后通过家庭内部网络信号传送到特定的用户设备上，并将相应信号反馈给外部通信节点，实现整个远程交互过程。
信息处理中心的实现，PC机完全可以满足要求，但以PC机为载体存在着一些缺点，如成本昂贵，体积较大，不易移动等，所以用其作为硬件载体性价比太低。
目前在智能家居系统中，一般采用嵌入式开发平台作为信息处理中心。
家庭网络子系统可将个人电脑、家用电器、三表、照明等安全防范系统与广域网相连接，从而实现智能家居的远程控制，让用户随时随地都可以通过网络智能控制家中的智能化设备。
五、智能家居中的M2M业务特性
M2M作为物联网现阶段最普遍的应用形式，其带给人们日常生活的便利以及社会生产力水平的提高，是的M2M的应用越来越广泛，设计从家庭个人日常生活到工业生产自动化的诸多领域。
当前M2M业务大多都是根据用户的需求，针对特定应用来制定业务，而M2M应用需求是极多样化的，使得M2M业务特性迥异，很难用一种或者几种特性全面地归纳和总结全部M2M业务的特性。
M2M业务特性分为通用业务特性和特定业务特性。
其中通用业务特性包含：
常规业务特性、M2M设备的触发需求、M2M设备的寻址需求、M2M设备的标识需求、M2M通信计费的需求、通信安全的需求、M2M设备远程管理需求等；特定业务特性包含：
低移动性、时间控制接入、时间容忍度、只支持分组交换、特定事件监视、在线少量数据输入、离线少量数据传输、安全连接、基于组的特性等。
在智能家居中所运用到的M2M通用特性有：
●M2M设备远程管理需求：
智能家居的目的之一就是能够使用户远程监控自己的家居，通过手机、互联网对家庭进行管理。
●M2M通信计费的需求：
对于需要智能家居的家庭而言，从受理到接口安装到竣工，以及根据使用流量等情况，服务商都要进行计费。
●M2M设备的触发需求：
触发又分为时间触发、事件触发和混合触发。
智能家居中，例如非法闯入、火灾、煤气泄漏等，都会引起终端触发。
特定业务特性有：
●低移动性：
智能家居中终端几乎不需要移动，这可以降低成本和耗电。
●时间控制特性：
对于水表电表燃气表的抄写，可以在特定时间接入网络。
●事件监视特性：
对于无人值守终端（例如家居等）进行监视，特定事件触发上报。
智能家居单个家庭触发通信数据模型
6、智能家居流量特性分析
1、智能家居业务流量产生及分析
上文分析得出了智能家居典型的业务模型,通过MATLAB编程进行仿真得出流量,流量以文本形式保存,存在两个参数:
数据包的时间戳、数据包大小。
如下图所示。
在流量产生后需要将其进行lOms时间尺度处理,统计每隔单位尺度时间10ms内数据包个数,处理完的流量数据仍保存为文本文件,其中包含两个参数:
时间戳、单位时间尺度内数据包个数。
形式如下图所示。
在智能家居业务仿真过程中我们设定不同家庭的业务起始时间是随机的,且起始时间服从（0,1800）秒的均勾分布,以3000个家庭规模为例进行的流量仿真,流量如图
（1）所示。
对流量使用R/S法进行Hurst系数估计,结果如图
（2）所示,Hurst=0.559说明智能家居业务流具有弱自相似性。
（1）
（2）
通过单一终端规模的业务流量分析可知智能家居业务流具有弱自相似特性。
考虑到网络流量特性可能会随流量的密度变化而变化,有必要分析不同终端规模下业务流的Hurst指数,依照不同的终端规模进行仿真并得到Hurst指数随终端规模变化的曲线图,如下图所示。
从分布曲线可以看出Hurst指数随着终端数量的增加整体上表现出逐渐减小的趋势。
经过本文后面的研究证实,方差在流量聚合中起到了非常大作用,为此,在本文的流量特性分析中,还分析了流量的方差。
智能家居10ms时间尺度业务流方差随终端规模变化情况如下图所示。
通过方差统计可以看出,方差随着终端规模增大而增大,但是总体来看方差较小。
2、智能家居与同类其他业务之间流量聚合及特性分析
M2M业务根据自相似特性的不同分为三类业务，其中智能家居属于二类业务，同属于二类业务的还有目标追踪、自动售货机以及移动支付。
这四类业务的流量都具有弱自相似性。
在聚合中选取典型规模的业务流进行操作，作为聚合流量源的业务流具体参数如下表所示。
智能家居与其他三种业务聚合的结果为：
智能家居-目标追踪聚合
智能家居-自动售货机聚合
智能家居-移动支付聚合
从上表看出，智能家居、自动售货机和移动支付业务流的方差分别为0.209、0.435、0.477，而目标追踪则为4.434，同时目标追踪的业务流均值为450.0packers/s同样远大于前三者的21.7packers/s、42.9packers/s、45.0packers/s。
从终端规模上来说，智能家居、自动售货机和移动支付分别问3000、3000、6000，而目标追踪则为250，前三者大于后者，是后者的数倍。
若从方差角度出发，目标跟踪业务流由于具有远大于其他三种业务的方差，使得两两聚合的业务流的Hurst系数与目标跟踪业务的Hurst系数非常接近。
但综合的看来,在不同M2M应用之间终端规模与终端业务流大小是不成比
例的,在流量特性分析时需要进行综合考虑。
由此将不同规模的低速业务流与恒
定规模高速业务流即目标追踪业务流进行汇聚。
7、智能家居中的系统配置
1、感知网关
感知网关在M2M智能家居系统中的应用主要是介于低速网络与家庭网关子系统之间,是一个基于TIDavinci系列DM365平台的嵌入式系统,系统连接一个低速网络Sink节点。
作为M2M智能家居系统的一个重要组成部分,其基本功能包括:
1）建立上层家庭网关子系统与低速网络之间的数据链路和命令链路;2）根据指令完成本地监控;3）在家庭网关与备份网关之间提供数据备份功能;4）连接的Sink节点具有建立ZigBee网络、管理ZigBee无线传感器节点的功能。
感知网关与低速网络Sink节点之间通过串口连接,Sink节点负责组建Zigbee网络、管理无线传感器节点、转发数据的功能,感知网关开机启动后与低速网络始终保持链路畅通。
感知网关与家庭网关子系统之间通过wi-n网络接入,彼此之间通过建立socket连接,完成数据和命令的交互,开机启动后,会根据需要的数据类型建立多路socket,再根据需要保持链路的连通和中断。
感知网关是一套基于TIDavinciDM365芯片的嵌入式系统,TMS320DM365
是TI公司推出的新一代基于ARM+DSP架构的高速处理器,该器件集图像,语音,网络,存储,压缩和解压缩算法于一体,性能卓越,价格低廉。
TMS320DM365数字媒体处理器高度集成了众多组件,可以满足开发人员在数字视频设计中实现高清像素影像的需求,其高速处理能力也满足智能视频处理功能的集成影像信号处理的要求。
感知网关的开发环境主要包括:
WindowsXP主机,主要是作为DM365的控制台;Linux服务器,内核版本2.6.23以上,安装Fedora9操作系统,主要用于软件开发;DM365板载Montavista嵌入式Linux操作系统,内核版本为2.6.18。
感知网关与家庭网关之间组成星型网络,感知网关通过ZigBee网络的Sink节点与底层网络进行交互。
感知网关网络结构图如下:
感知网关与Sink节点之间通过RS232串口相连接,从而可以接收低速网采集的传感器数据,并能将家庭网关子系统的命令发送给低速网络。
而感知网关子系统与上层的家庭网关子系统之间利用Wi-Fi网络相连接,从而实现两者之间的数据交互。
2、家庭网关
家庭网关处于家庭内部网络与家庭外部以太网连接的位置。
家庭内部组网以ZigBee无线方式，同时网关与Internet连接，家庭内部可控设备通过ZigBee与家庭网关互连，通过网关可实现与Internet的互连和通信。
同时家庭网关还完成家庭内部网络与Internet协议的转换以及来自以太网控制命令解析及转发等功能，实现通过远程外部网络对家中可控设备状态的读取与控制。
家庭网关通过以太网卡与以太网连接，实现与外部网络的连接，二者之间的通讯是基于C/S模式的。
家庭网关在连接中作为服务器，负责接收客户端发送的控制命令，并对命令进行解析判断，然后将该命令重新打包成ZigBee网络数据包的格式，送至家庭内部ZigBee网络。
同时，网关通过ZigBee模块与家庭内部网络连接，与网关连接的ZigBee模块式该ZigBee网络的汇聚节点，负责ZigBee网络的组建以及对网络中设备的管理。
ZigBee模块接收ZigBee网络的中的数据，网关对数据进行解析判断，然后将该数据重新打包成以太网数据包的格式，送至以太网。
家庭网关主要功能包括：
协议转换、路由选择、用户注册、串口通信及TCP网络通信。
（1）协议转换
协议转换要完成的任务是协议适配和编解码，即进行TCP/IP协议帧与ZigBee网络协议帧之间的映射和附加信息的编解码转换。
由于这两种网络中所传输的数据帧格式之间存在差异，所以当接受到一种数据帧时，需对其进行解码，去掉附加信息，得到有用的信息，再根据另一个协议要求的数据帧格式，对有用信息进行编码，使其符合另一种网络的帧格式，以便于在另外一个网络中进行传输。
（2）路由选择
家庭内部网络的各个设备的网络地址是有ZigBee网络配置的，并且当协调器设备重启以后，设备的地址会发生变化。
家庭网关需要保存设备网络地址并实时监测设备的网络地址的变化，进行地址映射，以保证数据能正确在设备之间的传输。
实现路由选择的方法是:
网关使用一个路由表来完成地址变换,具体的实现方法是在网关中保存一张控制子网节点地址。
当网关接收到来自家庭内部网络数据帧时,解析出相应设备的网络地址，并与表内保存的网络地址对比，如果有变化，则修改表内的地址。
当接收到来自客户端的数据帧时，解析设备标示位，将相应的目的地址添加到数据帧,转发数据,这时要求两个网络在数据帧中预留表示目的地址的域。
（3）节点注册
节点注册是指家庭内部网络的各个节点在上电后，需向家庭网关处上报网络地址、物理地址、节点状态等信息，即在家庭网关处注册，使得远程客户端可以访问设备。
（4）串口及TCP/IP协议网络通信
家庭内部网络中的协调器通过串口与家庭网关进行数据交换，外部网络通过基于TCP/IP协议的网络进行通信。
3、远程控制客户端
远程控制端即客户端，它通过发送控制命令对智能家电进行控制，必要时反馈信息给用户。
客户端分为五个功能模块：
用户信息管理、家电管理模块、家庭安防模块、情景模式模块及系统状态模块。
其中：
●用户信息管理模块主要实现用户身份的认证，以保证家庭信息的安全。
●家电管理模块主要实现对设备的自动识别，对房间和房间内的设备进行管理，获取用户的控制命令，通过网络发送控制命令。
●家庭安防模块主要是为了通过发送报警器控制命令，控制报警器的开启与关闭，获取报警信息，发出报警信息以通知用户。
●情景模式模块主要是为了实现用户通过选取预先定义好的各种家居设备组合工作模式和装填，改变家庭内部的状态。
●家庭环境信息采集模块主要是为了获取当前家庭环境信息，以供用户查询。
8、无线智能家庭网络与移动通信网络的连接
家庭不是一个孤立的社会单位，智能家庭必须要具备和外部通信网络连接的能力，才能实现更广泛的应用。
这个任务由中心控制器来实现。
中心控制器充当外部网络和家庭网络之间的网关。
无线智能家居网络中的家庭网关可以通过以下几种方式与移动通信网络通信。
●基于双音多频的服务（DTMF，DoubleToneMuliti-Frequency）
使用DTMF技术可以通过通常的语音信道传输有限的数字编码信息。
可以用做智能家居中远程安全报警、家居状态查询、简单的远程控制。
无线智能家居网络中的控制中心存储预先设置好的语音信息，提示用户用手机按键进行操作，这是最简单的M2M应用。
这种方法比较简单，容易实现，但是缺乏效率，用户必须按照语音提示逐步进行操作，操作比较烦琐，等待时间较长。
●短消息服务（SMS）
SMS应用到智能家居中时，相对DTMF技术，可以使用文字一次可以传送更多的家居状态信息和控制命令，传输速度快。
网络运营商可以对这种M2M应用的SMS信息和普通的短信区分开来，保证信息能够及时传递，尤其对家居安防警报。
●多媒体信息服务（MMS）
MMS是基于WAP业务的，走数据通道，其传输能力在CSD方式下可以达到9.6Kbps，在GPRS方式下最大可以达到184Kbps，在3G下可以达到2Mbps，给MMS应用的开展提供了很大的便利。
MMS的发送延时少，用户可以享受即时的服务。
MMS业务支持发送状态报告，向用户提供有保证的发送。
●通用分组无线业务（GPRS）
无线智能家居采用GPRS技术具有以下优点:
永远在线、高速传输、自如切换、按量计费等。
●无线应用协议（WAP）
用户可以通过访问WAP页面的方式管理和监控自己家居的情况，更加的直观，操作也更方便。
●3G移动通信技术
第三代移动通信技术给M2M技术提供了更加广阔的应用平台，而对智能家居应用而言，则意味着更加方便快捷的操作、更加直观的监控、更多更好的服务功能。
9、结语
M2M是一种以机器终端设备智能交互为核心的、网络化的应用与服务。
它使用嵌入式技术,将通信模块植入机器中,并接入到通信网络中,在模块感知采集到数据以后提供给客户,以满足客户多方向的智能化的需求。
本文简单介绍了智能家居中的M2M应用与解决方案，分析了智能家居的体系架构及功能架构。
随着物联网技术及M2M技术的不断发展，M2M技术未来会在智能家居中发挥越来越重要的作用，会使智能家居行业更快地发展。
参考文献
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