基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居演示系統(tǒng)

引言

在20世紀(jì)80年代，由于很多電子技術(shù)家用產(chǎn)品的涌現(xiàn)， 人們便開(kāi)始對(duì)智能家居有了一定的初步設(shè)想，自從世界上第一 幢智能家居1984年在美國(guó)建成以來(lái)，歐洲、美國(guó)、東南亞和 澳大利亞等一些經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家先后又提出了各種智能建 筑的策略，并在美國(guó)、德國(guó)、新加坡等國(guó)家廣泛使用，而后我 國(guó)也相繼出現(xiàn)了一些智能家居方案，并投入使用。

智能家居是社會(huì)進(jìn)步和廣大群眾需求以及生產(chǎn)力發(fā)展相 結(jié)合的產(chǎn)物，隨著群眾生活水平的提高、國(guó)家相關(guān)部門(mén)的扶 持以及生產(chǎn)力發(fā)展相結(jié)合的產(chǎn)物，行業(yè)相關(guān)協(xié)會(huì)的成立，智能 家居將逐漸形成完整的生產(chǎn)鏈，其產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也將 得到進(jìn)一步的完善。文中主要研究的是一套基于嵌入式系 統(tǒng)且具有低成本、操作簡(jiǎn)單靈活的智能家居系統(tǒng)，其主要包 括了智能家居系統(tǒng)平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)，硬件平臺(tái)的建立和各種功 能模塊的軟件編程及實(shí)現(xiàn)。

1智能家居概述

智能家居就是以住宅為平臺(tái)安裝智能家居系統(tǒng)的居住環(huán) 境，用來(lái)為人們提供一個(gè)方便、舒適和安全的居住環(huán)境。智能 家居現(xiàn)在發(fā)展多年，在業(yè)務(wù)鏈上，除了業(yè)務(wù)平臺(tái)以外的各個(gè) 環(huán)節(jié)都已經(jīng)發(fā)展較為成熟了，且都具有各自獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)體系。 但要在這種規(guī)模較小的現(xiàn)狀下來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模化發(fā)展，還是有 很多問(wèn)題等待解決的。造成智能家居現(xiàn)狀的原因也是多方面 的，例如資金不足、政府扶持不夠以及物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)還不成 熟等諸多原因。

智能家居主要是以基本建筑設(shè)施為平臺(tái)，安裝有各種現(xiàn)代化電子設(shè)備，并通過(guò)現(xiàn)代化的信息技術(shù)設(shè)備對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一的 管理、控制?，F(xiàn)今，利用科學(xué)技術(shù)來(lái)改善生活環(huán)境已是必然趨勢(shì), 智能家居主要利用了各種信息通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)、多媒 體技術(shù)以及自動(dòng)控制技術(shù)等，對(duì)所有接入管理系統(tǒng)的電子技術(shù) 組件進(jìn)行集成。在這樣的集成環(huán)境下，可以在一定程度上簡(jiǎn)化 居家事務(wù)管理，提高我們的生活效率，還能帶給我們非同一般 的生活體驗(yàn)。同時(shí)考慮到全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)的呼吁，智能家居也 能夠通過(guò)科學(xué)、合理的運(yùn)作方式，起到節(jié)能、減排的作用。

2智能家居系統(tǒng)方案

本文是以家居環(huán)境為背景，以ARM開(kāi)發(fā)板為設(shè)計(jì)平臺(tái), 圍繞日常家居中的相關(guān)幾個(gè)相關(guān)事件動(dòng)作，設(shè)計(jì)了基于無(wú)線傳 感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居演示系統(tǒng)。預(yù)期實(shí)現(xiàn)智能家居的主要功 能有:智能廚房、智能門(mén)禁、智能照明、智能窗戶等4項(xiàng)功能。 下面就系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和軟、硬件設(shè)計(jì)兩大方面進(jìn)行說(shuō)明。

2.1系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)智能家居系統(tǒng)的核心部分由ARM11核心板, GPRS模塊，3G模塊，無(wú)線傳感器模塊，門(mén)禁模塊和終端執(zhí) 行等模塊組成，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的智能家居演示系統(tǒng)功能如下：

⑴室內(nèi)光度、濕度、溫度、二氧化碳濃度測(cè)量;

室內(nèi)的暗亮情況智能控制電燈的開(kāi)、關(guān)；

攝像頭采集訪客的照片并利用3G發(fā)送郵件給房主；

室內(nèi)二氧化碳濃度如果過(guò)高就發(fā)送短信通知房主；

室外如果下雨，室內(nèi)就智能關(guān)窗。

2.2系統(tǒng)京更件設(shè)計(jì)

2.2.1核兀、處理芯片的選擇

本設(shè)計(jì)采用飛凌OK6410開(kāi)發(fā)板，是一款基于三星公司 最新的ARM11處理器S3C6410。以它為主要核心控控制芯片, 其相關(guān)無(wú)線傳感器對(duì)周邊的環(huán)境進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)采集，然后將 數(shù)據(jù)傳送給核心控制中心，從而對(duì)整套系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制與 監(jiān)控。

S3C6410是由三星公司推出的一款低功耗、高性價(jià)比的 RSIC處理器，它基于ARM11內(nèi)核，可廣泛應(yīng)用于通信等領(lǐng) 域,OK6410以獨(dú)特的硬件優(yōu)勢(shì)、強(qiáng)大的軟件功能和開(kāi)源的共 享精神贏得了嵌入式行業(yè)的普遍贊譽(yù)，故以它作為試驗(yàn)平臺(tái)來(lái) 驗(yàn)證智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)的可行性。

2.2.2遠(yuǎn)程通信模塊的選擇

目前比較流行的遠(yuǎn)程無(wú)線通信技術(shù)有GPRS與CDMA， GPRS是GSM向3G的發(fā)展中的一種過(guò)渡技術(shù)，是在GSM 的移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)上，向用戶提供移動(dòng)分組的IP或 者X.25連接。而CDMA是在擴(kuò)頻通信技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起 來(lái)的一種新型無(wú)線通信技術(shù)。它技術(shù)的原理是擴(kuò)頻-解擴(kuò)原理， 以實(shí)現(xiàn)信息通信。系統(tǒng)中選用這兩種無(wú)線通信技術(shù)，是因?yàn)樗?們具有高速傳輸和實(shí)時(shí)在線等優(yōu)點(diǎn)，符合本系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信模 塊的基本功能要求。

2.2.3近程通信模塊的選擇

由于智能家居對(duì)家居內(nèi)的傳輸網(wǎng)絡(luò)只需要傳輸小數(shù)據(jù)包, 所以不需要太大的傳輸速度，但家居中的家電設(shè)備多，所以又 需要其的網(wǎng)絡(luò)容量，且信息的實(shí)時(shí)性要好、時(shí)延要短。要符合 這種要求的通信技術(shù)，在近幾年出現(xiàn)了一種，它叫ZigBee技術(shù)， 是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，具有數(shù)據(jù)率低、成本低、傳輸 距離短但安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)決定了它能很好地 滿足智能家居系統(tǒng)在短程通信方面的需求。

2.2.4直流電機(jī)模塊

輸入為直流電能的旋轉(zhuǎn)電機(jī)稱(chēng)為直流電動(dòng)機(jī)，它能實(shí)現(xiàn) 直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。直流電動(dòng)機(jī)具有較高的響應(yīng)速度、 精度和頻率、良好的調(diào)整轉(zhuǎn)速、較高的工作效率、簡(jiǎn)單的控 制性能、優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性等優(yōu)點(diǎn)，但是為了達(dá)到設(shè)計(jì)的要求, 并且更好的與主系統(tǒng)板相結(jié)合，我們采用5 V供電電壓的電機(jī) 和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片，加上軟件產(chǎn)生的PWM信號(hào)來(lái)控制電壓對(duì) 直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。這在性能指標(biāo)、成本、易用性等方面上 無(wú)疑是一個(gè)較好的方案。

2.2.5攝像頭模塊

門(mén)禁系統(tǒng)的感知部件是攝像頭，我們利用的攝像頭是采 用最經(jīng)典的中芯微301P方案，高品質(zhì)64位真彩，其鏡片采 用高品質(zhì)不變形鏡片，真實(shí)還原色彩。感光器件采用高品質(zhì) 1/3 inch CMOS，感光效果超越CCD,支持VGA/CIF格式。 本攝像頭采用USB接口，使用方便，速率高達(dá)30 f/s，信躁比 大于48 dB，擁有影像處理功能、MMX技術(shù)高速軟解壓和快 速壓縮引擎。除此之外它還擁有新一代驅(qū)動(dòng)，支持Windows XP 系統(tǒng)和最新的Win 7系統(tǒng)，并且支持動(dòng)、靜態(tài)圖像捕捉和支 持Avi影像錄制。

2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.3.1嵌入式系統(tǒng)的選擇

在確定硬件系統(tǒng)后，為配合硬件而達(dá)到系統(tǒng)的最優(yōu)控制 要求，我們采用Linux操作系統(tǒng)。因?yàn)樵贚inux與ARM處理 器兩個(gè)領(lǐng)域中可以看出，Linux系統(tǒng)在諸多方面都存在優(yōu)勢(shì), 而且本身的ARM處理器與Linux也有著緊密的聯(lián)系。

2.3.2開(kāi)發(fā)軟件

開(kāi)發(fā)軟件是基于Linux 2.6內(nèi)核進(jìn)行目標(biāo)機(jī)開(kāi)發(fā)，宿主機(jī) 使用Fedora與Win 7操作系統(tǒng)、ARM-Linux交叉編譯環(huán)境、 QT 4.5圖形庫(kù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，用到了內(nèi)核的配置編譯與調(diào)試技術(shù)、 模塊化驅(qū)動(dòng)程序的使用、根文件系統(tǒng)的制作等技術(shù)。

2.3.3軟件流程設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件流程設(shè)計(jì)分為兩部分，第一部分為圖2所 示的嵌入式系統(tǒng)軟件流程圖；第二部分為圖3所示的外圍系 統(tǒng)軟件流程圖。

圖2嵌入式系統(tǒng)軟件流程圖

3測(cè)試

測(cè)試環(huán)境選在西北大學(xué)信息科學(xué)學(xué)院818實(shí)驗(yàn)室。測(cè)試 的主要流程有：

布置節(jié)點(diǎn)采集溫度、濕度、光強(qiáng)、二氧化碳濃度值;搭建好初始化系統(tǒng)，接收采集到的數(shù)據(jù)；

終端執(zhí)行響應(yīng)命令和查收文件。

測(cè)試的重點(diǎn)主要在以下四個(gè)方面：一是用攝像頭采集訪 客的照片并利用3G發(fā)送郵件給房主；二是在室內(nèi)二氧化碳濃 度超過(guò)閾值時(shí)發(fā)送短信以通知房主；三是如果室外下雨，室內(nèi) 就智能關(guān)窗；四是以室內(nèi)的暗亮情況來(lái)智能控制電燈的開(kāi)、關(guān)。

圖3系統(tǒng)軟件總流程圖

本系統(tǒng)的初始化界面如圖4所示，本界面的主要信息為 接受信息的手機(jī)號(hào)碼、接收郵件的郵箱地址以及相關(guān)的控制 和設(shè)置按鈕。圖5所示為采集數(shù)據(jù)的界面。

圖4系統(tǒng)初始化界面

圖5采集數(shù)據(jù)界面

點(diǎn)擊Knock_door按鈕，便可開(kāi)始采集來(lái)訪者照片，并利 用3G模塊發(fā)送至指定郵箱，郵件目錄及內(nèi)容如圖6所示。這 樣，打開(kāi)郵件閱讀圖像，可見(jiàn)圖片信息完整，以郵件附件的形 式發(fā)送得到的結(jié)果與預(yù)期結(jié)果一致。

(a)郵件目錄

(b)郵件內(nèi)容

圖6郵件的目錄及內(nèi)容圖

如果人為地使節(jié)點(diǎn)采集到二氧化碳的溶度超過(guò)閾值，這 時(shí)，觀察終端手機(jī)接收情況如圖7所示，也就是終端手機(jī)的 短信圖?？梢?jiàn)，其結(jié)果是成功收到基站發(fā)來(lái)的一條短信，并正 確的收到了短信內(nèi)容，通知業(yè)主，從而達(dá)到了預(yù)期的目的。

圖7終端手機(jī)短信內(nèi)容

然后，也可以人為地使節(jié)點(diǎn)采集到溫濕度值達(dá)到下雨時(shí) 的那個(gè)范圍，這時(shí)也可以觀察終端電機(jī)控制的窗簾情況，圖8 所示是窗簾關(guān)閉的情況，可見(jiàn)其結(jié)果符合預(yù)期的結(jié)果。

最后，再人為地使節(jié)點(diǎn)采集到的光照強(qiáng)度值達(dá)到該開(kāi)燈 的那個(gè)閾值，當(dāng)光強(qiáng)低于1 000個(gè)單位時(shí)，我們可以觀察終端 電燈的亮滅情況，圖9所示是電燈開(kāi)啟的圖片，符合預(yù)期的結(jié)果。隨后，當(dāng)光線增強(qiáng)，光照強(qiáng)度值達(dá)到預(yù)設(shè)閾值時(shí)，電燈關(guān)閉，符合設(shè)計(jì)要求。期間系統(tǒng)命令存入日志中，圖 10 所示是日志記錄圖。

4 結(jié) 語(yǔ)

智能家居作為住宅技術(shù)信息化的實(shí)現(xiàn)方式，已經(jīng)成為了社會(huì)信息化快速發(fā)展的重要因素。無(wú)論是從個(gè)人需求還是從國(guó)家政府需求來(lái)看，都能凸顯出智能家居這個(gè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展迫切性。在目前的技術(shù)發(fā)展背景下，物聯(lián)網(wǎng)將是智能家居產(chǎn)業(yè)發(fā)展中一個(gè)比較現(xiàn)實(shí)的突破口，而且它對(duì)智能家居產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著重大意義。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與成熟，它將成為智能家居行業(yè)的產(chǎn)業(yè)化加速器。但在物聯(lián)網(wǎng)給智能家居領(lǐng)域帶來(lái)機(jī)遇的同時(shí)，它們所面臨的問(wèn)題同樣是不可忽視的，因?yàn)樘魬?zhàn)與機(jī)遇并存。

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