【正文】 和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)于一體，將各種家庭設(shè)備(如音視頻設(shè)備、照明系統(tǒng)、窗簾控制、空調(diào)控制、安防系統(tǒng)、數(shù)字影院系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)家電等)通過(guò)智能家庭網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，通過(guò)寬帶和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。還將家居環(huán)境由原來(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。而且使用GPRS通信模塊，可以將家庭中的突發(fā)事件信息告知戶主，并且進(jìn)行智能報(bào)警。 物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)現(xiàn)狀智能家居是利用微處理電子技術(shù)，來(lái)集成或控制家中的電子電器產(chǎn)品或系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)家電是將普通家用電器利用數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能控制技術(shù)設(shè)計(jì)改進(jìn)的新型家電產(chǎn)品。物聯(lián)網(wǎng)智能家居現(xiàn)在處于起步階段，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)的。國(guó)內(nèi)從事智能家居行業(yè)的生產(chǎn)廠家魚(yú)龍混雜，良莠不齊，有獨(dú)立從事智能家居系統(tǒng)的生產(chǎn)企業(yè)，有家電行業(yè)兼做智能家居系統(tǒng)，有安防企業(yè)兼做智能家居系統(tǒng)的，還有運(yùn)營(yíng)商也參與到智能家居行業(yè)的，各自的出發(fā)點(diǎn)不同，所以生產(chǎn)出的產(chǎn)品也就各不相同產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，影響了消費(fèi)者對(duì)智能家居產(chǎn)品的信任；再者智能家居行業(yè)的售后服務(wù)水平較低，智能家居系統(tǒng)相對(duì)比較復(fù)雜，系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性較大，出問(wèn)題的幾率相對(duì)較高，這時(shí)候如果售后服務(wù)不能到位的話則會(huì)嚴(yán)重影響客戶對(duì)智能家居產(chǎn)品的滿意度。所以目前在中國(guó)只有少部分用于試點(diǎn)研究安裝，真正用于生活的還不多見(jiàn)。主要介紹物聯(lián)網(wǎng)智能家居的背景、意義、現(xiàn)狀。主要介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的技術(shù)工具。主要介紹系統(tǒng)功能需求性。主要介紹系統(tǒng)各個(gè)部分設(shè)計(jì)。 ZigBee技術(shù)無(wú)線傳感器技術(shù)是目前無(wú)線通信領(lǐng)域內(nèi)研究的一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過(guò)各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理，并通過(guò)隨機(jī)自組織無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知的信息傳送到用戶終端。傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)間距離很短，一般采用多跳(multihop)的無(wú)線通信方式通信。ZigBee技術(shù)譯為紫蜂技術(shù)，是一個(gè)有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的新型傳感器網(wǎng)絡(luò)， (ZigBee) 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)化方面，其余協(xié)議主要參照和采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，高層應(yīng)用、測(cè)試和市場(chǎng)推廣等方面的工作將由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。完整的ZigBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用層、 應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。 有助于ZigBee設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低，該頻段的物理層使用了16個(gè)信道、250kb/s的傳輸速率。LLC子層功能包括傳輸可靠性保障、數(shù)據(jù)包的分段與重組、數(shù)據(jù)包的順序傳輸；MAC層通過(guò)SSCS ( Service — Specific Convergence Sub layer，業(yè)務(wù)相關(guān)的會(huì)聚子層) 協(xié)議能支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)，其功能包括設(shè)備間無(wú)線鏈路的建立、維護(hù)和拆除、確認(rèn)模式的幀傳送與接收、信道接入控制、幀校驗(yàn)、預(yù)留時(shí)隙管理和廣播信息管理。前者具備控制器(Controller)的功能，能夠提供數(shù)據(jù)交換；后者電路較為簡(jiǎn)單且存儲(chǔ)體容量較小，只能傳送數(shù)據(jù)給FFD或從FFD接收數(shù)據(jù)。 應(yīng)用層定義了各種類型的應(yīng)用業(yè)務(wù)是協(xié)議棧的最上層用戶。這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線自組織傳輸網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意地點(diǎn)的信息在任意時(shí)間的采集、處理和分析[5]。圖22 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)1. 無(wú)中心。節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開(kāi)無(wú)需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)通過(guò)分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為,節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)后就可以快速、 自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。WSN 是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)；一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其它故障，退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。4. 節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集。這樣的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備一定的軟、硬件健壯性和容錯(cuò)性。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作624個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。相比較，藍(lán)牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時(shí)。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)。ZigBee工作在250kbps的通訊速率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到13km。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。6. 高容量。7. 高安全。8. 免執(zhí)照頻段。ZigBee的這些特點(diǎn)使之最適合作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)[6]。它甚至被人稱為一種全新類型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這就是因?yàn)樗鼌^(qū)別于過(guò)去硬件的可到處散布的特點(diǎn)以及集體分析能力。而現(xiàn)在，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)只連接了不到 100個(gè)節(jié)點(diǎn)，更多的節(jié)點(diǎn)以及通訊線路會(huì)使其變得十分復(fù)雜難纏而無(wú)法正常工作。不過(guò)這些問(wèn)題并不是不可逾越的，一些無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品已經(jīng)上市，并且具備引人入勝的功能的新產(chǎn)品也會(huì)在幾年之內(nèi)出現(xiàn)?；贛EMS的微傳感技術(shù)和無(wú)線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。 GPRS通信模塊GPRS是通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service)的簡(jiǎn)稱，它是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌且苑獍≒acket）式來(lái)傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)頻道，理論上較為便宜。GPRS經(jīng)常被描述成“”，也就是說(shuō)這項(xiàng)技術(shù)位于第二代（2G）和第三代（3G）移動(dòng)通訊技術(shù)之間。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，只通過(guò)增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來(lái)實(shí)現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對(duì)來(lái)說(shuō)并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當(dāng)可觀。如此，使用者既可聯(lián)機(jī)上網(wǎng)，參加視訊會(huì)議等互動(dòng)傳播，而且在同一個(gè)視訊網(wǎng)絡(luò)上（VRN）的使用者，甚至可以無(wú)需通過(guò)撥號(hào)上網(wǎng)，而持續(xù)與網(wǎng)絡(luò)連接。數(shù)據(jù)傳送之前并不需要預(yù)先分配信道，建立連接。在這種傳送方式中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收方同信道之間沒(méi)有固定的占用關(guān)系，信道資源可以看作是由所有的用戶共享使用。例如一個(gè)進(jìn)行WWW瀏覽的用戶，大部分時(shí)間處于瀏覽狀態(tài)，而真正用于數(shù)據(jù)傳送的時(shí)間只占很小比例。 在系統(tǒng)中，使用串口和GPRS模塊進(jìn)行通信，將我們的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊發(fā)送到用戶手機(jī)上。同時(shí)越來(lái)越多的家庭要求家居產(chǎn)品不僅要具備簡(jiǎn)單的智能，更要求整個(gè)系統(tǒng)在功能擴(kuò)展、外延以及服務(wù)方面能夠做到簡(jiǎn)單、方便、輕松、安全。智能家居產(chǎn)品為家居環(huán)境、家電設(shè)備提供一個(gè)共享的接入中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭 環(huán)境及其設(shè)備的智能管理、遠(yuǎn)程管理、集中管理和資源共享。 實(shí)際業(yè)務(wù)工作流程整個(gè)系統(tǒng)主要由三部分組成：傳感器節(jié)點(diǎn)WSN網(wǎng)絡(luò)，嵌入式服務(wù)器終端，GPRS通信模塊及其他裝置。傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee通信模塊傳到節(jié)點(diǎn)控制，節(jié)點(diǎn)控制處理收集到的信息，做出相應(yīng)的操作處理。系統(tǒng)流程如圖31。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的需求進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)如下設(shè)計(jì)目標(biāo)：1. 當(dāng)用戶需要遠(yuǎn)程控制的空調(diào)開(kāi)關(guān)時(shí)，只要用手機(jī)發(fā)送指定命令的短信息，通過(guò)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(guò)處理，通過(guò)ZigBee模塊的無(wú)線傳輸將命令發(fā)送到與空調(diào)相連接的控制器上，通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)空調(diào)的控制。3. 當(dāng)用戶需要遠(yuǎn)程控制窗戶的開(kāi)關(guān)時(shí)，只要用手機(jī)發(fā)送指定命令的短信息，通過(guò)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(guò)處理，通過(guò)ZigBee模塊的無(wú)線傳輸將命令發(fā)送到與窗戶連接的控制器上，通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)窗戶的控制。5．當(dāng)我們需要遠(yuǎn)程控制空氣加濕器的開(kāi)關(guān)時(shí)，只要用手機(jī)發(fā)送指定命令的短信息，通過(guò)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(guò)處理，通過(guò)ZigBee模塊的無(wú)線傳輸將命令發(fā)送到與空氣加濕器相連接的控制器上，通過(guò)控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣加濕器的控制。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。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。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。:目前，在智能住宅、家庭自動(dòng)化、家電網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域尚處于一家一戶自行開(kāi)發(fā)的局面，而實(shí)際上用戶不可能全部使用同一廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，這將極大阻礙互聯(lián)互通和長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。:采用模塊化的設(shè)計(jì)可以適應(yīng)各種場(chǎng)合的需要，保障用戶的利益并允許系統(tǒng)的逐步到位。:人們購(gòu)買(mǎi)家庭自動(dòng)化產(chǎn)品是為了享有更加便利舒適的生活，絕非追逐潮流的概念。同時(shí)，家庭自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)該能最大程度兼容用戶原有電器設(shè)備，保護(hù)用戶投資。好的家庭自動(dòng)化產(chǎn)品應(yīng)該簡(jiǎn)便易用、用戶界面友好，并且不需要使用者花上太多的精力就能掌握。功能的設(shè)計(jì)要求主人能夠遠(yuǎn)程設(shè)置家居環(huán)境，如圖32。2．主人可以通過(guò)手機(jī)設(shè)置窗簾的開(kāi)啟和關(guān)閉。4．主人可以通過(guò)手機(jī)設(shè)置電視的開(kāi)關(guān)。中央處理平臺(tái)職能就是在家庭智能局域網(wǎng)中，引導(dǎo)和規(guī)劃家居子系統(tǒng)中的各種信號(hào)，有了它，你可以通過(guò)手持無(wú)線遙控設(shè)備來(lái)和家居子系統(tǒng)進(jìn)行快速的溝通。 目前已經(jīng)出現(xiàn)的主流中央家居處理平臺(tái)分為兩類，其中一類平臺(tái)是網(wǎng)關(guān)式中央家居處理平臺(tái)。第二種則直接利用家用電腦去控制各種家電設(shè)備。這些功能都是通過(guò)智能家居系統(tǒng)中的家庭網(wǎng)絡(luò)控制器未實(shí)現(xiàn)的，家庭網(wǎng)絡(luò)控制器具有家庭總線系統(tǒng)、通過(guò)家庭總線系統(tǒng)提供各種服務(wù)功能、并和住宅以外的外部世界相通連。由此可見(jiàn)，智能家居系統(tǒng)在智能住宅中的重要地位。 傳感器節(jié)點(diǎn)WSN網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)WSN模塊主要是以AT89C51為核心處理器，使用多個(gè)I/O口進(jìn)行傳感器檢測(cè)陣列的信號(hào)采集，其中包括溫度、濕度、光線、煙霧有害氣體等信號(hào)的檢測(cè)，如煙霧傳感器負(fù)責(zé)煙霧中有害氣體的檢測(cè)，煙霧傳感器如圖41。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。所以系統(tǒng)采用煙霧傳感器對(duì)家用的天然氣、煤氣、煙霧進(jìn)行監(jiān)控檢測(cè)。通過(guò)傳感器采集到的數(shù)據(jù)，由ZigBee無(wú)線模塊傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)控制器，然后由紅外發(fā)射芯片IR6721C芯片進(jìn)行家電設(shè)備控制信號(hào)的發(fā)射，可以完成家庭內(nèi)部控制和GPRS遠(yuǎn)程控制；使用通信串口連接無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸芯片ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊,ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊是UART 接口半雙工無(wú)線傳輸模塊。WSN網(wǎng)絡(luò)模塊硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖42，WSN在家庭中的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋如圖43。其中中心控制器是單片機(jī)，單片機(jī)為本系統(tǒng)的核心部件，它除了具備單片機(jī)最小系統(tǒng)的必備期間外，它的串口通過(guò)RS232電路與MC703模塊通信，單片機(jī)的P0口與顯示器相連，P1口與鍵盤(pán)相連。GPRS模塊采用華為的MC703模塊如圖44，該模塊具有一路串口，波特率為115200bps，通過(guò)該路串口，該模塊可以與單片機(jī)進(jìn)行通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊可以方便用戶使用各種移動(dòng)智能終端，輕松控制任何基于ZigBee協(xié)議的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)高速、安全、可靠傳輸。圖45 MC703模塊圖45 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊本系統(tǒng)采用ARM11S3C6410控制芯片為核心控制器，完成所有家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)的處理，包括數(shù)據(jù)的采集與控制命令的發(fā)出，是整個(gè)智能家居控制的核心，采用Linux嵌入式系統(tǒng)為家居總中心監(jiān)控系統(tǒng)，能夠自動(dòng)運(yùn)行、處理數(shù)據(jù)，通過(guò)串口管理、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制各控制終端，并且中心控制器通過(guò)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)與手機(jī)的通信，使用戶可以通過(guò)短信方式實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制[8]。圖46 服務(wù)器控制端硬件結(jié)構(gòu)框圖整個(gè)系統(tǒng)以智能家居中心控制臺(tái)做為信息的控制中心，負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)其中手機(jī)終端可以向主機(jī)發(fā)送查