基于物联网的智能家居设计.docx

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基于物联网的智能家居设计

摘要

随着物联网技术的发展和人们对物质生活水平的要求的不断提高，人们对生活的安全、舒适、便捷等方面的要求也越来越高。

近年来人们对家庭住宅观念发生了巨大改变，智能家居将成为现代化住宅的发展趋势。

对于它的研究和开发，是一项有关自动控制、无线连接、无线通信多学科交叉的研究课题。

本文以物联网的发展为背景，通过学习研究物联网的相关技术，明确物联网的关键技术包括：

RFID标识技术、传感网技术、M2M技术。

在硬件方面，采用了GPRS模块作为远程人机交互手段，接收和发送信息。

利用器件组成ZigBee网络实现短距离的无线网络通信，并详细阐述了各硬件模块的功能和实现方法。

GPRS模块软件方面，利用AT指令编写程序，实现用户手机的短信收发过程；利用单片机实现了对家用电器的控制。

在智能家居控制系统中应用了星型网的网络拓扑，通过ZigBee网实现了节点之间无线通信。

关键词：

物联网；智能家居；ZigBee；GPRS；远程控制

ABSTRACT

AsthedevelopmentoftheInternetofThings，thestandardsofmateriallifearecontinuallyimproved.Therequiresofthesafe,comfortableandconvenientarealsoraised.Inrecentyears,therearehugechangesontheconceptoffamilyhouseonpeople’smind;andthesmarthomewillbethetrendofmodernhouse.Theresearchanddevelopmentofitisabouttheautomaticcontrol,wirelessconnectionandwirelesscommunicationsstudysubjects.

ThisarticleisbasedonthedevelopmentoftheInternetofThings.BystudyingthetechnologyoftheInternetofThings,andkowingthatthekeytechnologysinclude：

RFIDidentifythenetworktechnology,sensingtechnology,M2M.Inthehardware,themoduleGPRSisusedastheremoteinteractionofman-machine;bysendingandreceivingmessages.Torealizewirelesscommunicationinshortdistance,someequipmentareusedtoformaZigBeenet.Andtellthedetailsofeverymodule’sfunctionandmethodtorealize.InGPRSsoftwaremodules,theprogramiseditedbyATinstructionandrealizedtheprocessofsendingandreceivingmessages.Thecontrolofhouseholdappliancesbecomestruebythesinglechip.Networktopologystructureofstarisappliedinthesmarthousecontrolsystem;byusingthenetofZigBeethatthewirelesscommunicationbetweennodesisrealized.

Keywords:

InternetofThings;SmartHome;ZigBee;GPRS;RemoteControl

附录C

附录D

前言

近几年金融危机之后的复苏时期，物联网概念迅速风行，受到各国政府的重视。

物联网技术得到越来越多的应用，但关于物联网的定义到现在还没有一个统一的定义从字面上解释，物联网就是“物物相连的互联网”。

可以从两方面去理解：

其一，物联网是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络，物联网的核心和基础仍然是互联网；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。

研究这项技术的重大意义在于这将使我们周围的一切物体联系到一起，社会变得更加智能，更加方便安全。

智能家居的概念早在上世纪80年代初就已经提出。

以“住宅电子化”实现，到了80年代末，逐步提出了"住宅智能化"，也就是现在所说的智能家居的原型。

智能家居是一个以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境。

它的研究与设计将优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性、舒适性，甚至合理控制各种能源的使用。

家居智能的基本目标是：

将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安防装置通过家庭总线技术（HBS）连接到一个家庭智能化系统上进行集中或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的协调。

1绪论

1.1物联网技术概述

2009年1月，IBM公司提出了“智慧地球”的理念；2009年8月，温家宝在中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察时，提出了“感知中国”。

物联网被预言为继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮，一时间很多人预见到了一场新的技术革命[1]。

物联网的概念：

物联网的英文名称为“TheInternetofThings”，简称IOT。

从字面上解释，物联网就是“物物相连的互联网”。

可以从两方面去理解：

其一，物联网是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络，物联网的核心和基础仍然是互联网；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信[2]。

关于物联网的定义到现在还没有一个统一的定义，有一个较为普遍认同的定义是物联网通过射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等各种信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[2]。

究其来源，其实只不过是在20多年前，提出的“泛在计算”框架下的一个小分支。

但是物联网的第一次提出源于1999年，美国麻省理工学院成立Auto-ID研究中心，进行RFID技术的研发，将RFID与互联网结合，提出了产品电子代码（EPC）解决方案。

这是物联网的雏形，一直到现在为止，RFID的发展还是物联网发展的重要部分。

2003年，美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。

2005年，在突尼斯举行的世界电联报告中明确提出了“物联网”的概念，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：

物联网》[1]。

近几年金融危机之后的复苏时期，物联网概念迅速风行，受到各国政府的重视。

我国的《国家中长期科学与技术发展规划（2006-2020年）》和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将物联网列入重点研究领域。

智能家居的概念早在上世纪80年代初就已经提出，以“住宅电子化”实现，而后又形成了“住宅自动化”的概念，到了80年代末，逐步提出了“住宅智能化”，也就是现在所说的智能家居的原型。

物联网的关键技术包括：

RFID标识技术、传感网技术、M2M技术。

物联网体系架构中三个层次所涉及的关键技术是物联网最终实现并得以实施的重要保证。

物联网中涉及的关键技术其中无线传感网（传感器网关、传感器）、中间件、客户端软件、用户卡鉴权和安全、远距通信（移动网/互联网等）、安全和隐私、智能处理技术（云计算等）已经广泛应用[4]。

1.2智能家居概述

智能家居又称智能住宅，英文名称为“SmartHome”。

是指利用先进的计算机技术、网络通信技术、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，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。

与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性、舒适性，甚至合理控制各种能源的使用。

家居智能的基本目标是，将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安防装置通过家庭总线技术（HBS）连接到一个家庭智能化系统上进行集中或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的协调。

要完整地理解智能家居，有必要先对几个智能家居发展过程中有着重大影响的系统进行介绍。

智能家居是一个以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境。

由于智能家居受产品生产厂家的限制，在短时间内还没有统一的标准协议，所以一般都是一个厂家单独做系统研发方案的。

其中较为有影响力的一次是2007年微软推出的“未来之屋”，是物联网技术应用于日常生活的一个样板[5]。

进人房屋时，安全系统会对来访者的面部进行扫描，确认身份后自动打开房门。

客厅冰箱上的液晶显示器能列出保存的食物清单，厨房水槽能够根据使用者的身高调节高度，而排风机会根据油烟浓度自动开启。

此外，每个房间的墙壁颜色、装修风格和温度,都可以根据家庭成员的喜好和情绪自动更换。

这一概念的提出在推广普及上还需加以时日，但是随着技术的革新，我们这里将把能够实现远程监控、智能照明、以及智能音响的智能家居。

我们可以考虑将物联网技术应用到智能家居的设计中，使我们的家居环境更加智能化、人性化、高效化。

1.3智能家居的发展

相比于国外，我国对智能家居系统的相关产品的研发起步较晚。

从目前中国的国情来看，实用型与舒适型应当成为家庭住宅建设的主流，舒适型面向中等偏上收入者。

但是住宅是一项使用寿命较长、一次投资较大的特殊商品，因此，建设时的标准必须具有一定的前瞻性。

目前在我国，智能家居系统被定义为：

利用4C（自动控制、计算机网络、无线通信、IC卡）技术，通过有效的传输网络，将多元信息服务与管理、安全防护与物业管理、住宅智能化系统集成，提供高技术的智能化住宅小区的服务于管理为手段，以期实现快捷高效的超值服务与管理，提供安全舒适的家居环境。

目前智能家居系统一般要求有三大功能单元：

第一，必须要有一个功能非常强大的智能家庭系统平台；第二，必须要有一个完整的综合性的家居布线系统；第三，必须要有家庭内部进行控制的互联网、连接外网的宽带互联网和家庭内部各种家电进行控制的家庭控制网络这三种网络支持的系统才能叫做真正的智能家居系统[3]。

1.4智能家居系统的特点

（1）它的对象是结构和特性完全相异的各种家用电器，相互之间兼容性比较差，电器之间的数据共享比较困难。

（2）家电的信息量小但对实时性要求较高，必须针对当时的家庭环境进行实时的调整。

（3）家电运行时所处环境有很大差异，对系统的抗干扰性和稳定性要求较高。

（4）家庭用户对于价格要求比较高，必须把组建网络的费用降低到一定程度，才能被广泛认可和接受。

（5）家电完成的功能各有不同，需要达到的智能水平也有很大的差异，要针对不同的功能要求，设计不同家电的智能水平（比如说，如果让电灯也共享Internet资源，显然没有必要，但是家中的摄像监控设备则需要较高的智能水平）。

（6）从用户的角度来说，用户需要简化家电的操作过程，统一家电的操作方法（比如说用统一的遥控器实现所有电器的控制）。

因此，组建智能家庭网络时需要考虑的问题有很多。

1.5本章小结

本章首先介绍了关于物联网的概念以及技术，指出物联网的应用范畴，接着介绍了智能家居的概念和具体实现的功能，提出智能家居使人们的生活更加高效更加人性，更加方便的理念。

在最后又介绍了智能家居系统的几个特点，设计智能家居时需要考虑的一些问题。

2物联网相关通信技术的原理

2.1ZigBee无线技术

2.1.1ZigBee的概念

ZigBee是最近提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。

主要适用于自动控制和远程控制领域，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的。

在IEEE802.15.4网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备（full-functiondevice，FFD）和精简功能设备（reduced-functiondevice，RFD）。

FFD之间以及FFD和RFD之间都可以相互通信；但RFD只能与FFD通信，而不能与其他RFD通信。

RFD主要用于简单的控制应用，传输的数据量较少。

对传输资源和通信资源占用不多，可以采用非常廉价的实现方案，在网络结构中一般作为通信终端[6]。

FFD一般需要功能相对比较强大的MCU，一般在网络结构中用作于网络控制和管理功能。

在IEEE802.15.4网络中，有一个称为PAN网络协调者（PANcoordinator）的FFD设备。

是LR-WPAN的网络中的主控制器。

PAN网络协调者除了直接参与应用以外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。

无线通信信道的特性是动态变化的，节点位置或天线方向的微小改变、物体移动等周围环境的变化都有可能引起通信链路强度和质量的剧烈变化，因而无线通信的覆盖范围是不确定的，在进行网络协议的设计时必须要考虑到无线信道的这个特点。

在智能家居系统设计中，采用星型网络，这种星型结构的特点是对中心节点（这里是无线数字家居服务器或网关）的依赖性很大，中心节点出现问题可能造成整个网络的瘫痪。

家庭内部无线网络连接距离较短，一般在l00米以内，家用电器位置容易改变，家庭电器等的数量也容易变化，网络中的信息传送主要在无线数字家居服务器和其它室内终端之间。

根据家庭网络的这些特点以及以上介绍的无线网络拓扑结构，本文以家庭网关为中心节点组建一个星型家庭网络。

ZigBee技术最大传输距离150米，完全满足家庭网络需要。

通过实用证明，星形家庭网络组网简单。

2.1.2ZigBee的协议栈

ZigBee与IEEE802.15.4的联系人们常会把ZigBee和IEEE802.15.4等同起来，其实两者之间还是有所区别的如图2-1所示[6]。

（1）ZigBee完整、充分地利用了IEEE802.15.4定义的功能强大的物理特性的优点；

（2）ZigBee增加了逻辑网络和应用软件；

（3）ZigBee基于IEEE802.15.4射频标准，同时ZigBee联盟通过与IEEE紧密工作来确保一个集成的完整的市场解决方案；

（4）802.15.4工作组主要负责制定物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）层标准，而ZigBee负责网络层和应用层的开发。

图2-1ZigBee的结构和分工

Fig.2-1ZigBeeStructureandDivisionofLabor

802.15.4协议架构及其技术特点IEEE802.15.4满足国际标准组织（ISO）开放系统互连（OSI）参考模式，定义了单一的MAC层和多样的物理层。

ZigBee联盟制定了MAC层以上协议，其协议套件由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。

（1）物理层

物理层提供了媒体访问控制层与无线物理通道之间的接口，主要完成功能：

激活，休眠无线收发设备、对当前频道进行能量检测、链路质量指示、为载波检测多址与碰撞避免（CSMA-CA）进行空闲频道评估、频道选择、数据的发送及接收等。

IEEE802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。

两个物理层都基于DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum，直接序列扩频），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。

2.4GHz波段为全球统一的无需申请的ISM频段，有助于ZigBee设备的推广和生产成本的降低。

2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术能够提供250kbps的传输速率，有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。

868MHz是欧洲的ISM频段，915MHz是美国的ISM频段，这两个频段的引入避免了2.4GHz附近各种无线通信设备的相互干扰。

868MHz的传输速率为20kb/s，916MHz是40kb/s。

由于这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求。

获得比较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。

工作频段和频率如表2-1所示：

表2-1工作频段和频率

Tab.2-2FrequencyandFrequencyRangeofLabor

物理层工作频率（MHZ）频道数码片率调制方式传输率数据符号

868MHZ868-868.61300BPSK20二进制

915MHZ902-92810600BPSK40二进制

2.4G2400-2483.5162000O-QPSK25016状态组

在PHY层的有关参数上，有四个重要的参数：

a）传输能量（power）：

约lmW的能量。

b）传输中心频率的兼容性：

约±40pm。

c）接收器之感度：

-85dBm-92dBm（868、915ram），1%分组差错率（PSDU=20bytes）。

d）接收信号强度指示的测量（RSSD）。

（2）调制及扩频

图2-22.4G物理层调制及扩频功能模块

Fig.2-22.4GthePhysicalLayerModulationandSpreadFrequencyFunctionalModules

2.4G物理层将数据（PPDU）每字节的低四位与高四位分别映射组成数据符号（Symbol），每种数据符号又被映射成32位伪随机噪声数据码片（Chip）。

数据码片序列采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控技术（O-QPSK）调制，对偶数序列码片进行同相调制，而对奇数序列码片进行正交调制，如图2-2所示。

868/915MHZ物理层先将PPDU二进制数据进行差分编码，差分编码是将当前数据位与前一编码位以模为2异或而成。

经编码的数据位又被映射成15位伪随机噪声数据码片（Chip），数据码片序列采用二相的相移键控技术（BPSK）调制。

（3）PPDU格式

PPDU报文数据由用于数据流同步的同步头（SHR）、含有帧长度信息的物理层报头（PHR）以及承载有MAC帧数据的净荷组成，具体结构如图2-3所示。

字节4

1

1

可变

前同步码（Preamble）

帧定界符（SFD）

帧长度（7bits）

保留（1bit）

物理层数据（PSDU）

同步头（SHR）

物理层报头（PHR）

物理层净荷

图2-3PPDU格式

Fig.2-3FormatofPPDU

前同步码域用来为后续数据的收发提供码片或数据符号的同步，帧定界符用来标识同步域的结束及报文数据的开始。

物理层数据域长度根据情况可变（长度为5字节或大于7字节），承载了物理层报文数据，包含有MAC层数据帧。

（4）MAC层

为了提高传输数据的可靠性，ZigBee的MAC采用了时隙化的载波侦听和冲突避免的信道接入CSMA-CA（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance）算法。

MAC子层的组成及接口模型如图2-4所示。

图2-4MAC子层组成及接口模型

Fig.2-4MACFormandInterfaceModel

IEEE802.15.4的MAC协议包括以下功能：

设备间无线链路的建立、维护和结束；确认模式的帧传送与接收；信道接入控制；帧校验；预留时隙管理；广播信息管理。

MAC子层提供两个服务与高层联系，即通过两个服务访问点（SAP）访问高层。

通过MAC通用部分子层SAP（MCPS-SAP）访问MAC数据服务，用MAC层管理实体SAP（MLME-SAP）访问MAC管理服务。

这两个服务为网络层和物理层提供了一个接口。

灵活的MAC帧结构适应了不同的应用及网络拓扑的需要，同时也保证了协议的简洁。

IEEE802.15.4MAC子层定义了广播帧、数据帧、确认帧和MAC命令帧等4种帧类型。

只有广播帧和数据帧包含了高层控制命令或者数据，确认帧和MAC命令帧则用于ZigBee设备间MAC子层功能实体问控制信息的收发。

广播帧和确认帧不需要接收方的确认，而数据帧和MAC命令帧的帧头包含帧控制域，指示收到的帧是否需要确认，如果需要确认，并且已经通过了CRC校验，接收方将立即发送确认帧。

若发送方在一定时间内收不到确认帧，将自动重传该帧。

这就是MAC子层可靠传输的基本过程。

MAC层的帧格式如图2-5所示：

210-20变量2

帧控制

序列号

地址信息

净荷

帧校验系列

图2-5MAC层的通用帧格式

Fig.2-5GeneralFrameFormatofMAC

（5）网络层

网络层包括逻辑链路控制子层：

802.2标准定义了LLC，并且通用于诸如802.3、802.11及802.15.1等系列标准中。

而MAC子层与硬件联系较为紧密，并随不同的物理层实现而变化。

网络层负责拓扑结构的建立和维护、命名和绑定服务，它们协同完成寻址、路由及安全这些必须任务。

NWK层是位于MAC层之上与APL层交互的一个协议层。

网络层的任务是通过正确操作链路层提供的功能来向应用层提供合适的服务接口。

为了与应用层交互，网络层逻辑上包含两个服务实体：

数据服务实体（NLDE）和管理服务实体（NLME）。

ZigBee规范定义的NWK层协议，提供数据传输服务（NLDE）和管理服务（NLME）的数据服务接口，用于将APL层提供的数据打包成应用层协议数据单元，并将其传输给相应的节点的NWK层；或者将接收到的应用层协议数据单元进行解包，并将解包后得到的数据传送给本节点的APL层。

也就是说NLDE-SAP实现两个APL层之间的数据传输。

NLME-SAP是NWK层给APL层提供的管理服务接口，其逻辑模型如图2-6所示。

NLDE-SAP是NWK层提供给APL层的数据服务接口，MCPS-SAP是由MAC层提供给NWK层的数据服务接口，MLME-SAP是MAC层提供给NWK层的管理服务接口。

a）配置一个新设备

b）开始一个新网络

c）加入或者离开网络

图2-6NWK层模型

Fig.2-6ModelofNWK

（6）应用层

应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体而言包括：

安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。

应用层有应用支持子层（APS），ZigBee设备对象（ZDO）及厂商定义的应用对象。

应用支持子层（APS）的作用是维护设备绑定表，它具有根据服务及需求匹配两设备的能力，且通过边界的设备转发信息。

应用支持子层（APS）的另一作用是设备发现，它能发现在工作范围内操作的其它设备。

ZDO的职责是定义网络内其它设备的角色。

如ZigBee协调器或末端设备、发起或回应绑定请求、在网络设备间建立安全机制（如选择公共密钥、对称密钥等）等。

厂商定义的应用对象根据ZigBee定义的应用描述执行具体的应用。

在本系统中附加了一层应用层协议完成数据的通讯和控制的业务。