【正文】 ..................................................................... 26 單片機(jī)對(duì)繼電器的控制 ............................................................................ 30 本章小結(jié) ....................................................................................................... 32 6 總結(jié)與展望 ...................................................................................................... 33 總結(jié) .............................................................................................................. 33 展望 .............................................................................................................. 33 致謝 ..................................................................................................................... 34 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................. 35 附錄 A外文譯文 ................................................................................................. 37 附錄 B外文文獻(xiàn) ................................................................................................. 46 附錄 C 附錄 D 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 前言 近幾年金融危機(jī)之后的復(fù)蘇時(shí)期，物 聯(lián)網(wǎng)概念迅速風(fēng)行，受到各國(guó)政府的重視。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到越來(lái)越多的應(yīng)用，但關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的定義到現(xiàn)在還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義從字面上解釋，物聯(lián)網(wǎng)就是 ―物物相連的互聯(lián)網(wǎng) ‖?？梢詮膬煞矫嫒ダ斫猓浩湟?，物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上的延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)；其二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。研究這項(xiàng)技術(shù)的重大意義在于這將使我們周圍的一切物體聯(lián)系到一起，社會(huì)變得更加智能，更加方便安全。 智能家居的概念早在上世紀(jì) 80 年代初就已經(jīng)提出。以 ―住宅電子化 ‖實(shí)現(xiàn)，到了 80 年代末， 逐步提出了 住宅智能化 ，也就是現(xiàn)在所說(shuō)的智能家居的原型。智能家居是一個(gè)以住宅為平臺(tái)安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境。它的研究與設(shè)計(jì)將優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時(shí)間，增強(qiáng)家居生活的安全性、舒適性，甚至合理控制各種能源的使用。家居智能的基本目標(biāo)是：將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家庭安防裝置通過(guò)家庭總線技術(shù) (HBS)連接到一個(gè)家庭智能化系統(tǒng)上進(jìn)行集中或者異地的監(jiān)視、控制和家庭事務(wù)性管理，并保持這些家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的協(xié)調(diào)。 詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計(jì) 2 1 緒論 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述 2021 年 1 月， IBM 公司提出了 ―智慧地球 ‖的理念； 2021 年 8 月，溫家寶在中科院無(wú)錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心考察時(shí)，提出了 ―感知中國(guó) ‖。物聯(lián)網(wǎng)被預(yù)言為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮，一時(shí)間很多人預(yù)見(jiàn)到了一場(chǎng)新的技術(shù)革命 [1]。 物聯(lián)網(wǎng)的概念：物聯(lián)網(wǎng)的英文名稱為 ―The Inter of Things‖，簡(jiǎn)稱 IOT。從字面上解釋，物聯(lián)網(wǎng)就是 ―物物相連的互聯(lián)網(wǎng) ‖?？梢詮膬煞矫嫒ダ斫猓浩湟?，物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上的延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)；其二，其用戶端 延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信 [2]。 關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的定義到現(xiàn)在還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義，有一個(gè)較為普遍認(rèn)同的定義是物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)射頻識(shí)別 (RFID)裝置、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等各種信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò) [2]。 究其來(lái)源，其實(shí)只不過(guò)是在 20 多年前，提出的 ―泛在計(jì)算 ‖框架下的一個(gè)小分支。但是物聯(lián)網(wǎng)的第一次提出源于 1999 年，美國(guó)麻省理工學(xué)院成立 AutoID 研究中心，進(jìn)行 RFID技術(shù)的研發(fā)，將 RFID 與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，提出了產(chǎn)品電子代碼（ EPC）解決方案。這是物聯(lián)網(wǎng)的雛形，一直到現(xiàn)在為止， RFID 的發(fā)展還是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要部分。 2021 年，美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》提出傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將是未來(lái)改變?nèi)藗兩畹氖蠹夹g(shù)之首。 2021 年，在突尼斯舉行的世界電聯(lián)報(bào)告中明確提出了 ―物聯(lián)網(wǎng) ‖的概念，國(guó)際電信聯(lián)盟 (ITU)發(fā)布了《 ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告 2021：物聯(lián)網(wǎng)》 [1]。近幾年金融危機(jī)之后的復(fù)蘇時(shí)期，物聯(lián)網(wǎng)概念迅速風(fēng)行，受到各國(guó)政府的重視。我國(guó)的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃 (20212020 年 )》和 “ 新一代寬 帶移動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng) ” 重大專項(xiàng)中均將物聯(lián)網(wǎng)列入重點(diǎn)研究領(lǐng)域。智能家居的概念早在上世紀(jì)80 年代初就已經(jīng)提出，以 “ 住宅電子化 ” 實(shí)現(xiàn)，而后又形成了 “ 住宅自動(dòng)化 ” 的概念，到了 80 年代末，逐步提出了 “ 住宅智能化 ” ，也就是現(xiàn)在所說(shuō)的智能家居的原型。 物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)包括： RFID 標(biāo)識(shí)技術(shù)、傳感網(wǎng)技術(shù)、 M2M 技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中三個(gè)層次所涉及的關(guān)鍵技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)最終實(shí)現(xiàn)并得以實(shí)施的重要保證。物聯(lián)網(wǎng)中涉及的關(guān)鍵技術(shù)其中無(wú)線傳感網(wǎng)（傳感器網(wǎng)關(guān)、傳感器）、中間件、客戶端軟件、用戶卡鑒權(quán)和安全、遠(yuǎn)距通信（移動(dòng)網(wǎng) /互聯(lián)網(wǎng)等）、安全和隱 私、智能處理技術(shù)（云計(jì)算等）已經(jīng)廣泛遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 應(yīng)用 [4]。 智能家居概述 智能家居又稱智能住宅，英文名稱為 ―Smart Home‖。是指利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，通過(guò)統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加舒適、安全、有效。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間；還由原來(lái)的被動(dòng)靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇?dòng)智慧的工具，提供全方位的信息交互功能，幫助家庭與外部保持信息交流 暢通，優(yōu)化人們的生活方式，幫助人們有效安排時(shí)間，增強(qiáng)家居生活的安全性、舒適性，甚至合理控制各種能源的使用。家居智能的基本目標(biāo)是，將家庭中各種與信息相關(guān)的通信設(shè)備、家用電器和家庭安防裝置通過(guò)家庭總線技術(shù) (HBS)連接到一個(gè)家庭智能化系統(tǒng)上進(jìn)行集中或者異地的監(jiān)視、控制和家庭事務(wù)性管理，并保持這些家庭設(shè)施與住宅環(huán)境的協(xié)調(diào)。要完整地理解智能家居，有必要先對(duì)幾個(gè)智能家居發(fā)展過(guò)程中有著重大影響的系統(tǒng)進(jìn)行介紹。 智能家居是一個(gè)以住宅為平臺(tái)安裝有智能家居系統(tǒng)的居住環(huán)境。由于智能家居受產(chǎn)品生產(chǎn)廠家的限制，在短時(shí)間內(nèi)還沒(méi)有統(tǒng)一 的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，所以一般都是一個(gè)廠家單獨(dú)做系統(tǒng)研發(fā)方案的。其中較為有影響力的一次是 2021 年微軟推出的 “ 未來(lái)之屋 ” ，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于日常生活的一個(gè)樣板 [5]。進(jìn)人房屋時(shí)，安全系統(tǒng)會(huì)對(duì)來(lái)訪者的面部進(jìn)行掃描，確認(rèn)身份后自動(dòng)打開(kāi)房門。客廳冰箱上的液晶顯示器能列出保存的食物清單，廚房水槽能夠根據(jù)使用者的身高調(diào)節(jié)高度，而排風(fēng)機(jī)會(huì)根據(jù)油煙濃度自動(dòng)開(kāi)啟。此外，每個(gè)房間的墻壁顏色、裝修風(fēng)格和溫度 ,都可以根據(jù)家庭成員的喜好和情緒自動(dòng)更換。這一概念的提出在推廣普及上還需加以時(shí)日，但是隨著技術(shù)的革新，我們這里將把能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、 智能照明、以及智能音響的智能家居。我們可以考慮將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到智能家居的設(shè)計(jì)中，使我們的家居環(huán)境更加智能化、人性化、高效化。 智能家居的發(fā)展 相比于國(guó)外，我國(guó)對(duì)智能家居系統(tǒng)的相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)起步較晚。從目前中國(guó)的國(guó)情來(lái)看，實(shí)用型與舒適型應(yīng)當(dāng)成為家庭住宅建設(shè)的主流，舒適型面向中等偏上收入者。但是住宅是一項(xiàng)使用壽命較長(zhǎng)、一次投資較大的特殊商品，因此，建設(shè)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)必須具有一定的前瞻性。 目前在我國(guó)，智能家居系統(tǒng)被定義為：利用 4C(自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信、IC 卡 )技術(shù)，通過(guò)有效的傳輸網(wǎng)絡(luò)，將多元信息 服務(wù)與管理、安全防護(hù)與物業(yè)管理、住宅詹旭：基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計(jì) 4 智能化系統(tǒng)集成，提供高技術(shù)的智能化住宅小區(qū)的服務(wù)于管理為手段，以期實(shí)現(xiàn)快捷高效的超值服務(wù)與管理，提供安全舒適的家居環(huán)境。 目前智能家居系統(tǒng)一般要求有三大功能單元：第一，必須要有一個(gè)功能非常強(qiáng)大的智能家庭系統(tǒng)平臺(tái)；第二，必須要有一個(gè)完整的綜合性的家居布線系統(tǒng)；第三，必須要有家庭內(nèi)部進(jìn)行控制的互聯(lián)網(wǎng)、連接外網(wǎng)的寬帶互聯(lián)網(wǎng)和家庭內(nèi)部各種家電進(jìn)行控制的家庭控制網(wǎng)絡(luò)這三種網(wǎng)絡(luò)支持的系統(tǒng)才能叫做真正的智能家居系統(tǒng) [3]。 智能家居系統(tǒng)的特點(diǎn) (1)它的對(duì)象是結(jié)構(gòu)和特性完全 相異的各種家用電器，相互之間兼容性比較差，電器之間的數(shù)據(jù) 共享 比較困難。 (2)家電的信息量小但對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，必須針對(duì)當(dāng)時(shí)的家庭環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整。 (3)家電運(yùn)行時(shí)所處環(huán)境有很大差異，對(duì)系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性要求較高。 (4)家庭用戶對(duì)于價(jià)格要求比較高，必須把組建網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用降低到一定程度，才能被廣泛認(rèn)可和接受。 (5)家電完成的功能各有不同，需要達(dá)到的智能水平也有很大的差異，要針對(duì)不同的功能要求，設(shè)計(jì)不同家電的智能水平 (比如說(shuō)，如果讓電燈也共享 Inter 資源，顯然沒(méi)有必要，但是家中的攝像監(jiān)控設(shè)備則 需要較高的智能水平 )。 (6)從用戶的角度來(lái)說(shuō)，用戶需要簡(jiǎn)化家電的操作過(guò)程，統(tǒng)一家電的操作方法 (比如說(shuō)用統(tǒng)一的遙控器實(shí)現(xiàn)所有電器的控制 )。因此，組建智能家庭網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要考慮的問(wèn)題有很多。 本章小結(jié) 本章首先介紹了關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)的概念以及技術(shù)，指出物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范疇，接著介紹了智能家居的概念和具體實(shí)現(xiàn)的功能，提出智能家居使人們的生活更加高效更加人性，更加方便的理念。在最后又介紹了智能家居系統(tǒng)的幾個(gè)特點(diǎn) ，設(shè)計(jì)智能家居時(shí)需要考慮的一些問(wèn)題 。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 2 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)通信技術(shù)的原理 ZigBee無(wú)線技術(shù) ZigBee的概念 ZigBee 是最近提出的一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù) 。 主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，是為了滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。在 網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力，可以分為全功能設(shè)備 (fullfunction device， FFD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備 (reducedfunction device， RFD)。 FFD 之間以及 FFD 和 RFD 之間都可以相互通信；但 RFD 只能與 FFD 通信，而不能與其他 RFD 通信。 RFD 主要用于簡(jiǎn)單的控制應(yīng)用，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少。對(duì)傳輸資源和通信資源占用不多，可以采用非常廉價(jià)的實(shí)現(xiàn)方案，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中一般作為通信終端 [6]。 FFD 一般需要功能相對(duì)比較強(qiáng)大的 MCU，一般在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中用作于網(wǎng)絡(luò)控制和管理功能。在 網(wǎng)絡(luò)中，有一個(gè)稱為 PAN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者 (PAN coordinator)的 FFD 設(shè)備。是 LRWPAN 的網(wǎng)絡(luò)中的主控制器。 PAN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者除了直接參與應(yīng)用以外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。無(wú)線通信信道的特性是動(dòng)態(tài)變化的，節(jié)點(diǎn)位置或天線方向 的微小改變、物體移動(dòng)等周圍環(huán)境的變化都有可能引起通信鏈路強(qiáng)度和質(zhì)量的劇烈變化，因而無(wú)線通信的覆蓋范圍是不確定的，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮到無(wú)線信道的這個(gè)特點(diǎn)。 在智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用星型網(wǎng)絡(luò)，這種星型結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是對(duì)中心節(jié)點(diǎn) (這里是無(wú)線數(shù)字家居服務(wù)器或網(wǎng)關(guān) )的依賴性很大，中心節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題可能造成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。家庭內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接距離較短，一般在 l00 米以內(nèi)，家用電器位置容易改變，家庭電器等的數(shù)量也容易變化，網(wǎng)絡(luò)中的信息傳送主要在無(wú)線數(shù)字家居服務(wù)器和其它室內(nèi)終端之間。根據(jù)家庭網(wǎng)絡(luò)的這些特點(diǎn)以及以 上介紹的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文以家庭網(wǎng)關(guān)為中心節(jié)點(diǎn)組建一個(gè)星型家庭網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee 技術(shù)最大傳輸距離 150 米，完全滿足家庭網(wǎng)絡(luò)需要。通過(guò)實(shí)用證明，星形家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)簡(jiǎn)單。 ZigBee的協(xié)議棧 ZigBee 與 的聯(lián)系人們常會(huì)把 ZigBee 和 等同起來(lái)，其實(shí)兩者之間還是有所區(qū)別的如圖 21 所示 [6]。 (1)ZigBee 完整、充分地利用了 定義的