【正文】 度快，費(fèi)用低，不占用語(yǔ)音通信通道等優(yōu)點(diǎn),本系統(tǒng)重在研究基于SMS 短信業(yè)務(wù)，一種操作方便、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可擴(kuò)展性好的智能家居控制系統(tǒng)[2]。與普通家居相比，智能家居不僅提供舒適宜人且高品位的家庭生活空間，實(shí)現(xiàn)更智能的家庭安防系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)中的無(wú)線傳感器應(yīng)用對(duì)家庭的智能防災(zāi)，燈光控制，以及家電聯(lián)網(wǎng)都提供了一種很好的解決辦法。這樣就極大降低了家庭意外災(zāi)難的損失[3]。家庭網(wǎng)絡(luò)是在家庭范圍內(nèi)（可擴(kuò)展至鄰居、小區(qū)）將PC、家電、安全系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和廣域網(wǎng)相連接的一種新技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)家電是一種價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)便、實(shí)用性強(qiáng)、帶有PC主要功能的家電產(chǎn)品。智能家居產(chǎn)品大規(guī)模批量化生產(chǎn)還需要時(shí)間加之協(xié)議不統(tǒng)一，隨之帶來(lái)的就是產(chǎn)品成本相對(duì)較高。這些問題嚴(yán)重制約了智能家居行業(yè)的發(fā)展。 論文的結(jié)構(gòu)論文的結(jié)構(gòu)主要分四個(gè)部分：1. 緒論。2. 系統(tǒng)開發(fā)工具。3. 需求分析。4. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)。2 系統(tǒng)開發(fā)工具該部分主要介紹系統(tǒng)所采用的技術(shù)及開發(fā)工具，涉及,采用的架構(gòu)ZigBee技術(shù)的模塊、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）、GPRS通信模塊等。所謂傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在一定區(qū)域內(nèi)的、具有無(wú)線通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)成的能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在獨(dú)立的環(huán)境下運(yùn)行，也可以通過網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)，使用戶遠(yuǎn)程訪問[4]。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、低速率、低成本和可靠性高的雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制領(lǐng)域， 可以嵌入各種設(shè)備中， 同時(shí)支持地理定位功能。其協(xié)議如圖21所示： 應(yīng)用層匯聚層網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)鏈路層LLCMAC物理層圖21 ／915MHz物理層，它們都基于DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列擴(kuò)頻)技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度和傳輸速率。 數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質(zhì)訪問控制子層(MAC)。 網(wǎng)絡(luò)層采用基于ad hoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議， 功能包括拓?fù)涔芾怼?MAC管理、 路由管理和安全管理根據(jù)節(jié)點(diǎn)的不同角色，可分為全功能設(shè)備 (Full Function Device；FFD)與精簡(jiǎn)功能設(shè)備(Reduced Function Device；RFD)。應(yīng)用匯聚層負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)層上，包括安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。 ZgBee特點(diǎn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)由大量的節(jié)點(diǎn)根據(jù)自組織網(wǎng)絡(luò)的方式構(gòu)成，一般節(jié)點(diǎn)通過各種方式大量部署在被感知對(duì)象內(nèi)部或者附近。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖22所示(虛線表示無(wú)線鏈路，實(shí)線表示有線鏈路)。WSN 沒有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)地位平等，是一個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。2. 自組織。3. 動(dòng)態(tài)拓?fù)?。ZigBee會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能。WSN節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、分布范圍廣。 ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢(shì)1. 低功耗。這是ZigBee的突出優(yōu)勢(shì)。2. 低成本。3. 低速率。4. 近距離。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。5. 短時(shí)延。相比較，藍(lán)牙需要310s、WiFi需要3s。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。(全球) (ISM)頻段。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, 簡(jiǎn)稱WSN）就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。 隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectroMechanism System,簡(jiǎn)稱MEMS)、片上系統(tǒng)（SOC， System on Chip）、無(wú)線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展,孕育出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來(lái)了信息感知的一場(chǎng)變革。 很多人都認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)的重要性可與因特網(wǎng)相媲美：正如因特網(wǎng)使得計(jì)算機(jī)能夠訪問各種數(shù)字信息而可以不管其保存在什么地方，傳感器網(wǎng)絡(luò)將能擴(kuò)展人們與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行遠(yuǎn)程交互的能力。然而從很多方面來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)就如同遠(yuǎn)在 1970 年的因特網(wǎng)，那時(shí)因特網(wǎng)僅僅連接了不到 200所大學(xué)和軍事實(shí)驗(yàn)室，并且研究者還在試驗(yàn)各種通訊協(xié)議和尋址方案。另外一個(gè)原因是單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的價(jià)格目前還并不低廉，而且電池壽命在最好的情況下也只能維持幾個(gè)月。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測(cè)包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為:軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。GPRS可以說(shuō)是GSM的延續(xù)。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps。它通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。而且，因?yàn)椴辉傩枰F(xiàn)行無(wú)線應(yīng)用所需要的中介轉(zhuǎn)換器，所以連接及傳輸都會(huì)更方便容易。GPRS分組交換的通信方式在分組交換的通信方式中，數(shù)據(jù)被分成一定長(zhǎng)度的包（分組），每個(gè)包的前面有一個(gè)分組頭（其中的地址標(biāo)志指明該分組發(fā)往何處）。而是在每一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)頭中的信息（如目的地址），臨時(shí)尋找一個(gè)可用的信道資源將該數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送出去。GPRS由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在絕大多數(shù)情況下都表現(xiàn)出一種突發(fā)性的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，對(duì)信道帶寬的需求變化較大，因此采用分組方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送將能夠更好地利用信道資源。這種情況下若采用固定占用信道的方式，將會(huì)造成較大的資源浪費(fèi)。3 需求分析隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、家庭人口結(jié)構(gòu)以及信息技術(shù)的發(fā)展變化,人們對(duì)家居環(huán)境的安全性、舒適性、效率性、透明性提出了更高的要求。很顯然我們的家居生活需要改變，智能家居系統(tǒng)提供廣泛的信息交互功能，優(yōu)化居住環(huán)境，幫助人們有效地利用網(wǎng)絡(luò)的便捷性各種實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居環(huán)境的控制。隨著網(wǎng)絡(luò)科技的高 速發(fā)展，在可以預(yù)見的未來(lái)，在智能化住宅中，以寬帶網(wǎng)絡(luò)將家里的電腦、電視 機(jī)、家電、安防系統(tǒng)等連成一體的自主控制、擴(kuò)展、享用的工作、學(xué)習(xí)、娛樂家 庭綜合信息服務(wù)平臺(tái)。其中傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中包含了多個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是由一個(gè)傳感器模塊加上一個(gè)ZigBee通信模塊組成的。手機(jī)終端可以遠(yuǎn)程通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，連接到嵌入式服務(wù)器終端中心控制臺(tái)，中心控制臺(tái)處理連接的信息，通過ZIgBee模塊發(fā)送處理信息到相應(yīng)的ZigBee模塊，節(jié)點(diǎn)控制臺(tái)收到指令作出相應(yīng)的處理。圖31 整體框架圖 設(shè)計(jì)目標(biāo)由于住宅設(shè)計(jì)情況比較多種多樣性，信號(hào)的覆蓋采取整體設(shè)計(jì)，局部進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)施，由于每個(gè)房間的封閉性，可能會(huì)引起信號(hào)的衰減，采取信號(hào)覆蓋區(qū)域連接，各個(gè)區(qū)域內(nèi)的信號(hào)能夠連通進(jìn)行信號(hào)的傳輸，在此頻率的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)為全球統(tǒng)一的，無(wú)需申請(qǐng)的ISM頻段，同時(shí)可以對(duì)無(wú)線信號(hào)進(jìn)行加密，保證了無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的安全性。2. 當(dāng)用戶需要遠(yuǎn)程控制窗簾的開關(guān)時(shí)，只要用手機(jī)發(fā)送指定命令的短信息，通過GPRS模塊的接收，并將短信息翻譯成為可以識(shí)別的命令傳輸給家庭控制器，控制器經(jīng)過處理，通過ZigBee模塊的無(wú)線傳輸將命令發(fā)送到與窗簾電機(jī)相連接的控制器上，通過控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)窗簾的控制。4．當(dāng)我們需要遠(yuǎn)程控制電視機(jī)的開關(guān)時(shí)，只要用手機(jī)發(fā)送指定命令的短信息，通過GPRS模塊的接收，并將短信息翻譯成為可以識(shí)別的命令傳輸給家庭控制器，控制器經(jīng)過處理，通過ZigBee模塊的無(wú)線傳輸將命令發(fā)送到與電視機(jī)相連接的控制器上，通過控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)電視機(jī)的控制。 設(shè)計(jì)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。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。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Internet資源，顯然沒有必要，但是家中的煙霧設(shè)備則需要較高的智能水平)。 設(shè)計(jì)原則基于設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，列出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則：:家庭自動(dòng)化產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)依照國(guó)際上流行的相關(guān)協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分保證各廠家產(chǎn)品間的兼容性和相互操作能力。因此，家庭自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)該具有開放的協(xié)議、統(tǒng)一的接口。模塊之間遵循一定的協(xié)議，可以相互通訊和協(xié)調(diào)。:家庭自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)該面向低成本、高性能的目標(biāo)設(shè)計(jì)，住戶對(duì)價(jià)格較為敏感，所以智能住宅采用的技術(shù)要較為經(jīng)濟(jì)。:高科技帶來(lái)的應(yīng)該是一種享受而絕不是一種負(fù)擔(dān)。 功能需求對(duì)于家居生活環(huán)境，因每個(gè)人的不同，要求得也不盡相同。圖32 智能家居邏輯圖1．主人可以通過手機(jī)設(shè)置空調(diào)溫度。3．主人可以通過手機(jī)設(shè)置窗戶的開啟和關(guān)閉。4 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 物聯(lián)網(wǎng)智能家居要將各成體系，互不相連的子系統(tǒng)協(xié)調(diào)起來(lái)，就必須有一個(gè)兼容性強(qiáng)的中央家居處理平臺(tái)，接受并處理控制設(shè)施發(fā)出的信息，然后傳送信號(hào)給你希望控制的家電或者其他家居子系統(tǒng)。中央家居處理平臺(tái)還必須具有良好的擴(kuò)展性能，以滿足用戶在使用過程中不斷增長(zhǎng)的需求點(diǎn)。這種方式推出的家庭網(wǎng)關(guān)集成智能家居系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)與中央家居處理平臺(tái)組合，這種平臺(tái)能夠與家庭安全防范系統(tǒng)、家庭自動(dòng)化系統(tǒng)，以及互聯(lián)網(wǎng)結(jié)成一體，實(shí)現(xiàn)家電控制、娛樂、交流和信息分享等方面的智能化。 智能家居系統(tǒng)將家庭中各種與信息相關(guān)的通訊設(shè)備、家用電器和家庭保安裝置，通過家庭總線技術(shù)連接到一個(gè)家庭智能化系統(tǒng)上進(jìn)行集中的或異地的監(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)境的和諧與協(xié)調(diào)。可以這樣說(shuō)，智能家居系統(tǒng)是智能住宅的核心。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選擇了第一種平臺(tái)，主要是三個(gè)模塊：傳感器節(jié)點(diǎn)WSN網(wǎng)絡(luò)模塊，嵌入式服務(wù)器終端模塊，GPRS通信模塊及其他裝置。圖41 煙霧傳感器 煙霧傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。氣體煙霧感應(yīng)器是這個(gè)模塊的主要器件；U1BLM323 運(yùn)算放大器是把采集的信號(hào)放大，傳輸?shù)絑igBee無(wú)線模塊,運(yùn)算放大器是延時(shí)作用,繼電器是相當(dāng)一個(gè)開關(guān)的作用，在這里只要有信號(hào)輸出，繼電器就閉合，其余的時(shí)間都是斷開的,喇叭有報(bào)警的作用,PT2262是無(wú)線模塊的芯片，是發(fā)送信號(hào)給中心控制器。本文采用了加強(qiáng)型的ZigBee無(wú)線技術(shù)，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的無(wú)線數(shù)據(jù)通信設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備間的數(shù)據(jù)透明傳輸；通過無(wú)線ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)通信，無(wú)線功能強(qiáng)大，具備中繼路由和終端設(shè)備功能。圖42 WSN網(wǎng)絡(luò)模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖圖43 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋 嵌入式服務(wù)器終端模塊設(shè)計(jì)嵌入式服務(wù)器終端模塊硬件主要有中心控制器、GPRS模塊和ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊。P2口用各種控制及傳感器的連接。另外，華為公司的MC703模塊價(jià)格相對(duì)低廉，且支持部分標(biāo)準(zhǔn)AT命令，此外還支持華為公司拓展的命令，使用起來(lái)更加的靈活[7]。如圖45為ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊。服務(wù)器控制端硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖46。人體感應(yīng)模塊與液化氣泄露檢測(cè)模塊則只能向主機(jī)發(fā)送信號(hào)，主機(jī)通過中斷方式獲取其信息[9]。WSN網(wǎng)絡(luò)模塊與嵌入式服務(wù)器終端模塊通過基于ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完成通信，傳輸一個(gè)指令的數(shù)據(jù)包由以