物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

引 言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，以智能手機(jī)為代表的各種智能產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，智能家居的概念也逐漸走入人們的生活。所謂智能家居，就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、綜合布線技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)（如信息家電、安防等）有機(jī)地結(jié)合在一起，充分體現(xiàn)“以人為本”，其本質(zhì)上是物聯(lián)網(wǎng)的平民化體驗(yàn)。

目前，我國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)體系已初具雛形。與國(guó)外相比，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)支持能力并無(wú)過(guò)分懸殊，但在傳感器、RFID 等感知端制造產(chǎn)業(yè)和高端軟件、集成服務(wù)等方面仍差距較大。雖然當(dāng)下我國(guó)的儀器儀表、嵌入式系統(tǒng)和軟件集成與服務(wù)等產(chǎn)業(yè)已有較大規(guī)模，但真正與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的服務(wù)與設(shè)備才剛剛起步[1]。物聯(lián)網(wǎng)還有著很大的發(fā)展空間。

當(dāng)前，經(jīng)濟(jì)的全球化與社會(huì)的信息化已成為時(shí)代發(fā)展的潮流。隨著智能化便攜式移動(dòng)設(shè)備（主要是智能手機(jī)）的普及以其性能的提高，便攜式智能移動(dòng)設(shè)備（智能手機(jī)）成為智能家居系統(tǒng)的控制端越來(lái)越具有說(shuō)服力。

針對(duì)上述觀點(diǎn)，當(dāng)下，市面上已不乏手機(jī)萬(wàn)能遙控器產(chǎn)品的出現(xiàn)，手機(jī)萬(wàn)能遙控器是讓手機(jī)轉(zhuǎn)變成各種家用紅外電器的遙控器。其原理均是運(yùn)用相關(guān)軟件，通過(guò)手機(jī)直接或間接發(fā)射紅外線來(lái)實(shí)現(xiàn)。除了部分型號(hào)（三星 GALAXY 以及諾基亞等）具有紅外功能外，大部分手機(jī)需外接設(shè)備來(lái)完成該功能的實(shí)現(xiàn)。外設(shè)產(chǎn)品目前主要有三種 ：①藍(lán)牙轉(zhuǎn)紅外手機(jī)遙控器 ；②耳機(jī)接口轉(zhuǎn)紅外發(fā)射器 ；③ USB 接口（OTG）轉(zhuǎn)紅外發(fā)射器。這三種產(chǎn)品目前已有一定市場(chǎng)，但不難發(fā)現(xiàn)，它們都有缺點(diǎn)：即為了實(shí)現(xiàn)紅外功能，必須舍棄手機(jī)原有的某項(xiàng)功能，比如通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行文件與信息傳輸、耳機(jī)的插入與使用、通過(guò)USB 接口的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/span>

鑒于需要外接來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外功能的缺點(diǎn)，我們把原有軟件、外設(shè)產(chǎn)品與原手機(jī)作為一個(gè)整體，并將其作為一個(gè)中間轉(zhuǎn)換器，即通過(guò)另一臺(tái)移動(dòng)設(shè)備并應(yīng)用相關(guān)軟件來(lái)對(duì)其進(jìn)行控制， 這樣，在實(shí)現(xiàn)萬(wàn)能遙控的同時(shí)，也很好地保護(hù)了原移動(dòng)設(shè)備的基礎(chǔ)功能。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

支撐物聯(lián)網(wǎng)的四大技術(shù)包括 ：兩化融合、RFID、M2M、傳感網(wǎng)（ZigBee/WiFi）。但根本項(xiàng)研究密切相關(guān)的是后兩者。

1.1 M2M技術(shù)

M2M 是一種用于設(shè)備與設(shè)備之間傳遞與交換信息的技術(shù)，是在實(shí)現(xiàn)智能家居過(guò)程中的基礎(chǔ)技術(shù)。與傳統(tǒng)的家庭網(wǎng)絡(luò)相比，M2M 以其自組織、高可靠性、可擴(kuò)展性強(qiáng)、覆蓋范圍廣、成本低并且組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，形成一種配置方便、速率較高的家庭局域網(wǎng)絡(luò)，并且逐漸成為無(wú)線通訊領(lǐng)域發(fā)展的新方向，主要在不同設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中發(fā)揮作用，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的功能，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的智能控制。

早在MWC 2012 開(kāi)展前，就曾有人做過(guò)預(yù)測(cè)，機(jī)器與機(jī)器之間的通信將成為最大的看點(diǎn)。而在之前的美國(guó)CES上， 智能手機(jī)在家庭網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用成為了最重要的主題。M2M 對(duì)于傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)服務(wù)商來(lái)說(shuō)，同樣是一個(gè)新興的行業(yè)。MWC 的主辦方 GSMA 曾經(jīng)聲稱僅僅對(duì)于移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商來(lái)講，在 2020 年這一領(lǐng)域的市場(chǎng)將達(dá)到 1.2 萬(wàn)億美元 [2]。無(wú)獨(dú)有偶，今年的MWC2015上，智能家居精彩的亮相，讓我們對(duì)其未來(lái)的發(fā)展充滿信心。

1.2 ZigBee技術(shù)

ZigBee 是基于IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議， 是一種新興的近距離、雙向的無(wú)線通訊技術(shù)，是一種介于藍(lán)牙和無(wú)線標(biāo)記技術(shù)之間的技術(shù)提案。主要應(yīng)用于近距離的無(wú)線連接。其主要優(yōu)點(diǎn)有：

(1) 低功耗。這是 ZigBee的主要優(yōu)勢(shì)。在低耗電待機(jī)狀態(tài)下，1節(jié) 5號(hào)干電池可以支持 1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作 3～12個(gè)月，甚至更長(zhǎng)；

(2) 低成本。ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)，且每塊芯片造價(jià)僅約 2美元；

(3) 低速率。ZigBee工作速率在 20～250kb/s， 分別提供 250kb/s（2.4GHz）、40kb/s（915MHz）和 20kb/s（868 MHz）的原始數(shù)據(jù)吞吐率，可滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的要求；

(4) 短延時(shí)。ZigBee響應(yīng)速度快，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)僅需 30 ms，同時(shí)也節(jié)省了電損耗；

(5) 高容量。ZigBee可有星狀、片狀、網(wǎng)狀等多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最多可組成 65 000 個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)，具有超高的網(wǎng)絡(luò)容量。

智能家居系統(tǒng)的調(diào)控信號(hào)數(shù)據(jù)量相對(duì)較小，傳輸速率要求不高，低成本、短延時(shí)的ZigBee 技術(shù)在智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用中體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

萬(wàn)能遙控器是智能家居系統(tǒng)中的重要組成部分。市面上目前已有手機(jī)萬(wàn)能遙控器的相關(guān)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品主要是運(yùn)用相關(guān)硬件與手機(jī)的USB 接口、藍(lán)牙或者耳機(jī)接口相連，再通過(guò)配套軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外發(fā)射功能。這樣，盡管可以達(dá)到遙控目的， 但勢(shì)必會(huì)造成手機(jī)原有功能（即耳機(jī)接入、藍(lán)牙或者 USB 數(shù)據(jù)傳輸）暫時(shí)被擱置，我們以此為突破點(diǎn)，將原有手機(jī)、軟件與外接設(shè)備做成一個(gè)整體，通過(guò)另一臺(tái)移動(dòng)設(shè)備經(jīng)特定軟件與該手機(jī)相溝通，通過(guò)控制該“中介手機(jī)”來(lái)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)能遙控的目的。圖 1 所示是本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路圖。

2.2 硬件部分

為了實(shí)現(xiàn)用手機(jī)萬(wàn)能遙控，需要在現(xiàn)有的無(wú)紅外功能的智能手機(jī)以外添加一個(gè)硬件模塊，從而達(dá)到通過(guò)發(fā)射紅外線控制電器的目的。

通常，智能手機(jī)可進(jìn)行信息輸出的接口是USB 接口和耳機(jī)接口。但是，不同品牌與型號(hào)的手機(jī)，其 USB 接口的型號(hào)與形狀都不盡相同，典型的如iPhone 的USB 接口——扁長(zhǎng)條形的 30-pin 接口，而Samsung 手機(jī)的USB 接口則比普通Android 手機(jī)短。因此USB 接口若作為外接紅外設(shè)備的連接口， 則需要多種型號(hào)，通用性低，制作難度加大。

相反，耳機(jī)接口對(duì)于絕大多數(shù)智能手機(jī)來(lái)說(shuō)，口徑基本一致。若采用耳機(jī)接口作為硬件設(shè)備連接點(diǎn)輸出控制信號(hào)，那么，適應(yīng)性或通用性比USB 接口好得多。經(jīng)比較，本課題采用耳機(jī)接口作為控制紅外信號(hào)發(fā)射的硬件部分的連接口。

該硬件部分的輸入端直接連在智能手機(jī)的耳機(jī)接口處， 它的功能是將該接口處輸出的含有高低電壓信息的信號(hào)轉(zhuǎn)化為符合一定編碼規(guī)律和標(biāo)準(zhǔn)的紅外遙控信號(hào)。

本課題會(huì)將上述硬件與手機(jī)看成一個(gè)整體，作為紅外信號(hào)發(fā)射的中介，而另一臺(tái)移動(dòng)設(shè)備通過(guò)相應(yīng)軟件對(duì)該中介進(jìn)行控制。

該設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是保留了原移動(dòng)設(shè)備的完整功能，缺點(diǎn)是同時(shí)也增加了成本。圖 2 所示是其硬件設(shè)計(jì)框圖。

2.3 軟件部分

2.3.1 中介平臺(tái)部分軟件

該軟件部分通過(guò)使用智能手機(jī) Android操作系統(tǒng)作為平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上編寫相應(yīng)軟件，從而操縱紅外線的發(fā)射模塊。該軟件部分所實(shí)現(xiàn)的功能如下：

(1) 遙控器面板的選擇和繪制 ；

(2) 音頻電壓信號(hào)從耳機(jī)接口的輸出；

(3) 遙控器面板上的按鍵觸發(fā)后有其對(duì)應(yīng)的音頻輸出信號(hào)，該信號(hào)應(yīng)與要發(fā)出的紅外遙控信號(hào)相匹配。

2.3.2 移動(dòng)設(shè)備部分軟件

該軟件部分使用智能手機(jī)iOS/Android系統(tǒng)作為平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上編寫相應(yīng)軟件，從而操控中介手機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)紅外發(fā)射， 達(dá)到萬(wàn)能遙控的目的。本移動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)如圖3所示， 其軟件部分所實(shí)現(xiàn)的功能如下：

(1) 遙控器面板的選擇和繪制 ；

(2) 移動(dòng)設(shè)備與中介手機(jī)畫面同步；

(3) 移動(dòng)設(shè)備上的操作可同步化控制中介手機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)萬(wàn)能遙控；

i(4) OS系統(tǒng)與Android系統(tǒng)軟件的相互溝通。

3 結(jié) 語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今科技發(fā)展的主流趨勢(shì)，是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)之一，據(jù)估計(jì)，2016 年的總產(chǎn)值將超過(guò)一萬(wàn)億元。

本課題是在原有手機(jī)萬(wàn)能遙控器外接產(chǎn)品的基礎(chǔ)上的再 研究與創(chuàng)新，雖增加了設(shè)計(jì)成本與軟件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，但同時(shí) 也給用戶的使用提供了便捷，相對(duì)完整的保留了移動(dòng)設(shè)備原有 功能，提高了技術(shù)含量，可增加市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，升級(jí)了智能家居 的用戶體驗(yàn)，適應(yīng)了今后物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需要，具有很大的發(fā)展 空間。