[理学]智能家居研究报告.doc

可扩展的智能家居研究报告学院： 哈尔滨师范大学计算机科学与信息工程学院 个人申报者姓名（集体名称）： 杨帆 类别：*自然科学类学术论文*哲学社会科学类社会调查报告和学术论文R科技发明制作目录一、研究背景11.1物联网的概念11.2物联网的体系结构21.3智能家居的概念4二、国内外同类研究状况52.1 目前国内外同类技术研究状况52.2同类产品的优缺点介绍62.3与本产品比较、分析9三、本系统的原理结构103.1原理：103.2试验系统各单元介绍：113.3试验流程：11四、技术关键及创新154.1主要核心技术154.2技术创新点15五、产品实验数据16HMC5883L三轴电子罗盘传感器16超声波传感器18DS1302时钟模块204017数字集成块扩展Arduino开关阵列22光控LED模块231602液晶显示模块25LM35温度传感器28一、研究背景1.1物联网的概念物联网的英文名称为“Internet of Things”，简称：IOT。从字面上解释，物联网就是“物物相连的互联网”。可以从两方面去理解：其一，物联网是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络。物联网的核心和基础仍然是互联网；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。关于物联网的定义到现在还没有一个统一的定义。有一个较为普遍认同的定义是物联网通过射频识别(RnD)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等各种信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。究其来源，其实只不过是在20多年前，提出的“泛在计算”框架下的一个小分支。但是物联网的第一次提出源于1999年，美国麻省理工学院成立Au“rID研究中心进行RFID技术的研发，将RFlD与互联网结合，提出了产品电子代码(EPC)解决方案。这是物联网的雏形，一直到现在为止，RFID的发展还是物联网发展的重要部分。2003年，美国技术评论提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。2005年。在突尼斯举行的世界电联报告中明确提出了“物联网”的概念，国际电信联盟(ITU)发布了ITU互联网报告2005：物联网。近几年金融危机之后的复苏时期物联网概念迅速风行，受到各国政府的重视。我国的国家中长期科学与技术发展规划(2006-2020年)和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将物联网列入重点研究领域。1.2物联网的体系结构物联网应该具备三个特征，一是全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。7在业界，物联网大致被公认为有四个层次，底层是用来感知数据的感知层，第二层是数据传输的传输层，第三层是服务管理层，第四层是最上面则是内容应用层。我在这里认为物联网分为五层次，底层是用来感知的传感器层，第二层是数据收集的网络信息汇聚层，第三层数据收集过来加以分析的信息分析层，第四层分析过的数据传输的信息传输层，最上面则是应用层。传感器层是物联网的皮肤和五官识别物体，采集信息。传感器层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、终端、传感器网络等，主要是识别物体，采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用相似。网络信息汇聚层是物联网的神经中枢和大脑信息数据的收集。网络信息汇聚层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能汇聚中心等。信息分析层是将网络信息收集的信息数据加以分析，ZigBee技术网络层的路由算法分析。数据传输层将网络信息汇聚层获取的信息进行传递，经过有线网络，无线网络的传输，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。图1.1物联网四层结构图应用层是物联网的“社会分工”与行业需求结合，实现广泛智能化。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化，这类似于人的社会分工，最终构成人类社会。1.3智能家居的概念智能家居又称智能住宅，英文名称为“Smart Home”。智能家居是一个以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境。智能家居集成是利用综合布线技术、网络通信技术安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设备集成。由于智能家居受产品生产厂家的限制。在短时间内还没有统一的标准协议，所以一般都是一个厂家单独做系统研发方案的。其中较为有影响力的一次是2007年微软推出的“未来之屋”，是物联网技术应用于日常生活的一个样板。进人房屋时，安全系统会对来访者的面部进行扫描，确认身份后自动打开房门。客厅冰箱的液晶显示器能列出保存的食物清单，厨房水槽能够根据使用者的身高调节高度，而排风机会根据油烟浓度自动开启。此外，每个房间的墙壁颜色、装修风格和温度，都可以根据家庭成员的喜好和情绪自动更换。二、国内外同类研究状况2.1 目前国内外同类技术研究状况智能家居系统又称为智能家庭局域网，是适应现代化家 庭生活而形成的多样化的网络结构。智能家居(Smart Home)的概念是由美国、加拿大、欧洲、澳大利亚以及东南亚等经济比较发达的国家最先提出的。其目标是将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家 庭保安装置通过家庭总线系统(Home Bus SYSTEM，HBS)连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或异地的监视、控制和 家庭事务性管理，同时保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调一致。智畿家居的基本功能包括网络接入系统、防盗报警系统、消防报警系统、电视对讲门禁系 统、煤气泄露探测系统、远程抄表（水表、电表、煤气表）系统、紧急求助系统、远程医疗诊断及护理系统、室内电器自动控制管理及开发系统、集中供冷热系统、 住宅网上购物系统、语音与传真服务系统、网上教育系统、股票操作系统、视频点播系统、付费电视系统、有线电视系统等。智能家居在国外已获得长足发展，自世界上第一幢智能建筑于1984年在美国康捏迪格州出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家和地区先后提出了各种智能家居方案。目前，智能家居系统已从开始时的以PC为控制中心逐渐转向以嵌入式家庭网关为核心的嵌入式系统领 域，在美国已有近40 000户家庭安装家庭智能化系统，新加坡已有近30个社区近5 000户的家庭采用了家庭智能化系统。三星也开始在中、韩两国同时推出其智能家居系统，通过机顶盒和网络，将家居自动化控制、信息家电、安防设备以及娱乐 和信息中心这4部分集成一个全面的、面向宽带互联网的家居控制网络。2006年，日本NTT公司与上海交通大学合作进行数字家庭中传感器开关接入的研发，希望在智能家居领域有所突破，尽快在日本和中国打开市场。在国内开发智能家居的公司中，在家庭内部组网中多采用有线方武（如X-10），基于无线通信的 也多是自己设计简单的协议，并没有采用比较成熟的适用于智能家居的协议。国内典型的智能家具系统有：科龙集团研制的智能网络家居系统、海信的智能家居控制 系统、清华同方的。-Home数字家园等。他们的产品具有不同的标准，为产品的相互兼容带来问题。2005年6月，由联想牵头的“闪联”和以海尔为首的 “e家佳”同时被信息产业部确定为行业推荐性标准，从而拉开了数字家庭竞争的序幕。2.2同类产品的优缺点介绍虽然目前智能家居系统有了一定的发展，并且市场上也开始出现相应的产品，但从总体的发展来看，不容乐观，特别是统一标准和权威产品的缺乏严重影响了家居智能化的发展。传统智能家居尚未将物联网，传感器网络，WIFI网络，近场通信，蓝牙，红外信号，激光通信，ZIGBEE技术，GSM网络，多种方式相结合对家电进行控制，手持语音设备对家电操控也用之甚少更别说远程语音控制，在对室内情况进行实时监控也尚未引用无线视频传输技术，激光报警，红外热感，烟雾传感，空气质量检测等技术，同时我们采用开源硬件设计与面向对象的开发方式提高了底层透明度和后续开发维护的效率降低了整体开发成本，但这些应用在智能家居研发领域均有广阔的前景，同时也是技术难关。随着科技的提高，经济的发展，人们的物质生活水平的提高，对家居环境的要求也越来越高，作为家居智能化的核心部分“智能环境检测与管理系统”也越发显得重要。不管国内还是国外，其智能家居系统对于人的体验做的都不是很充分，系统对用户不透明（底层硬件模块设计不透明，服务程序接口不透明，设计原理不透明等，用户相当于用了一个“黑盒”系统），用户只能被动的去接受你的系统，却不能让系统去适应用户，用户很难去组建自己想要的系统。同时目前国内外智能家居的发展也遇上一系列的瓶颈，（1）安装、调试复杂，成本费用高。据悉，一套功能比较完善的智能家居系统很复杂，综合布线的施工过程以及后期的调试都必须要专业的工程师进行，假如在使用中出现故障的话，维修起来也是一件相当麻烦的工程，加上动辄几万、几十万上百万的成本费，一般的老百姓根本承受不起这个高档的奢侈品。（2）功能华而不实。据调查，目前大家比较关心的是安防报警、环境监测与控制、能源检测与控制等功能，对一些概念性的控制功能好像并没有引起广泛的兴趣。总之，一般对智能家居有需求的用户还是把家庭安防放在首要位置。另外，现在市场上智能家居智能产品的稳定性和可靠性还较差，有待进一步提高。（3）缺乏资金支持。一方面，智能家居只是某些房地产开发商为增加卖点采取的促销手段并没有真正“智能”。(4)扩展能力弱。（5）使用不方便，设置不方便，对用户界面不够友好。随着社会消费水平的提高，开发商们自觉的把智能家居考虑进来以增强自身的竞争力，同时又出于保护自身的经济利益，他们会最大限度的节省成本，因此在选择智能产品时不会投入太大的资金；另外，有很多内地的工程公司的老板对智能家居的市场缺乏信心和认识，在开发这部分市场的时候会有很多的顾虑，导致了一些工程商对智能家居工程采取观望态度。另一方面，研发新智能产品、新技术需要有雄厚的资金支持，但又有很大的风险。因此，一些企业在经多方寻求投资合作后，仍被拒绝在智能家居的大门外。 智能家居系统仍然处于一个不断完善的过程，需要不断地完善其功能，才能更好的适应社会未来的发展要求。而且国内外系统的可扩展性和灵活性受到多方面因素的限制，而正是因为这些缺点，使得他们在国内的发展缓慢，根据媒体调查，现阶段国内智能家居实际上处于初级阶段，没有占据过多市场份额的大公司。2.3与本产品比较、分析“可扩展的智能家居”系统通过物联网技术与网络技术对家居系统进行远程控制；自由扩展的设计；多元化供电方案；利用对于手持终端设备进行远程操控；此外，还配置了手持语音遥控及远程语音遥控。于此同时，通过小车进行无线视频采集，传送到任何终端。采用开源硬件设计与面向对象的设计方式，提高底层系统透明度与后期开发维护效率，降低整体开发费用。能满足友好，透明，高度自由可扩展，人性化与个性需求的核心系统，以及种类繁多的各类传感器节点，控制节点是我们的技术特点与优势。“可扩展的智能家居”系统可应用于各种场所根据用户需要个性化定制方块，如政府机关、企事业单位、居民住宅、学校等。推广前景良好，因为技术型特点，以及我们非常看重用户体验，使得我们推广不成问题，因为现有市场智能家居并不完善，且开放性，扩展性不好，根据媒体调查现在用户对个性化设置，已经扩展能力要求越来越多，据市场调查，目前一套低档的智能家居系统至少三四万元，高档高达几十万甚至上百万，而此系统设100平方米预计成本不到万元，其性价比相当明显！智能家居与先进的无线通信技术相结合，是智能家居的发展趋势。 系统成本低廉，操作简单，适用于广大用户，可以全面推广应用。预计我们产品可以抢占部分市场份额。三、本系统的原理结构3.1原理：基于物联网和传感器网络的理论基础，研究并设计了“可扩展的智能家居”其中包括：高度可扩展的“核心系统”，组成“智能安全系统”，“智能能源管理系统”，“智能环境检测与管理系统”，“智能家电管理系统”，“友好且高度可扩展的用户接口”在通信技术上，我们广泛的采用了现有的成熟技术，和前沿技术，其中包括：WIFI，WLAN，蓝牙，近场通信，红外信号，串口通信，MBUS总线，激光通信，ZIGBEE技术等。在硬件设计上，我们采用了Arduino开源硬件设计，Arduino开源硬件设计国际芯片大厂Atmega系列芯片，其稳定性，可靠性已经经过十几年的实践检验。同时Arduino的硬件设计是完全开源的，经过全世界的检验与修改，整体电气可靠性非常高。同时透明性也非常高。在开发技术上，我们采用了面向对象的设计方式，硬件上采用Arduino开发，软件层采用Processing进行开发，兼容现有所有操作系统平台包括手持系统，如windows，linux，Mac,安卓，iPhone等。在远程控制上，我们不仅采用了传统的网络控制，电话控制，我们还设计并实现了邮件控制，微博控制，微信控制，手机短信控制，手机网络控制等。在组成结构上，我们采用了自组网方式，保证了产品的即插即用。大大方便了用户个性化定制。3.2试验系统各单元介绍：核心系统：主要为智能家居系统提供基础服务，如界面，数据库存储，通信，网络访问，加密，解密，自动识别设备，自动安装设备等基本功能与服务。智能安全系统：主要提对安全方面的支持，如门禁，烟雾报警，温度报警，电压报警，功率报警，水溢出报警，窗户防卫报警等。智能能源管理系统：主要提供电力能源管理，水资源管理，燃气资源管理等。智能环境检测与管理系统：主要提供温度，湿度，亮度，风力，风向，空气质量，水质量，鱼缸检测，植物盆栽检测等监管。智能家电管理系统：主要提供对家电，包括数字型家电，既有数字接口的家电，和传统家电带有红外遥控的家电进行支持，当然也包括我们自己的设备，如灯光控制模组，窗帘控制模组等友好且高度可扩展的用户接口：给用户和家电制造厂商乃至其他的智能家居余留下了用户级接口，可以通过我们的接口，将一些用户自己DIY，家电制造商制作的智能家电，乃至其他智能家居的的模块拿到我们的系统中使用。外设传感器和控制模块：为整个系统提供环境数据及环境控制。3.3试验流程：整体框架：家居控制逻辑简图：智能家居系统与智能校区相结合的框架结构：主从机通信过程：入侵检测防盗系统框图：对智能家居中的远程智能医疗框图：四、技术关键及创新4.1主要核心技术技术关键在于传感器网络的建设，高度可扩展的核心系统设计（自动增删控制面板，自动识别模块，自动安装，自动设置），利用物联网进行远程控制，无线视频监控及无线数据传送，无线语音遥控，GSM短信控制及报警，微弱交流电流检测技术，远程网络监控技术，自组网技术。还有灵活，友好的用户级接口，我们完全可以做到即插即用。4.2技术创新点对用户高度透明且友好的接口，人性化的个性定制，高度自由可扩展，我们的智能家居系统是灵活，安全，面向用户完全透明的，用户用的放心，舒心，甚至用户完全可以自己随意扩展智能家居的组件，使其达到个性化需求。而不需特定的专业人员工作。五、产品实验数据HMC5883L三轴电子罗盘传感器 用途：测量地磁方向，测量物体静止时候的方向，测量传感器周围磁力线的方向。注意，测量地磁时候容易受到周围磁场影响，主芯片HMC5883三轴磁阻传感器特点： 1，数字量输出：I2C数字量输出接口，设计使用非常方便。 2，尺寸小: 3x3x0.9mm LCC封装，适合大规模量产使用。3，精度高：12度，内置12位A/D,OFFSET, SET/RESET 电路，不会出现磁饱和现象，不会有累加误差。 4，支持自动校准程序，简化使用步骤，终端产品使用非常方便。 5，内置自测试电路，方便量产测试，无需增加额外昂贵的测试设备。 6，功耗低：供电电压1.8V, 功耗睡眠模式-2.5uA 测量模式-0.6mA连接方法：只要连接VCC，GND，SDA，SCL四条线。 Arduino GND - HMC5883L GND Arduino 3.3V - HMC5883L VCC Arduino A4 (SDA) - HMC5883L SDA Arduino A5 (SCL) - HMC5883L SCL实验数据：超声波传感器超声波传感器适用于对大幅的平面进行静止测距，可用于门禁，自动门，测距等用途。普通的超声波传感器测距范围大概2cm450cm，分辨率3mm。模块工作原理： 采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号；模块自动发送8个40KHz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间测试距离=(高电平时间*声速(340m/s)/2;电路连接方法：实验数据：对于超声波模块的分析：在空间发散上的对比DS1302时钟模块DS1302是maxim美信生产的时钟模块，支持年、月、日、时、分、秒、星期显示。支持为后备电池涓流充电。连线图：连线方法：CE(DS1302 pin5) - Arduino D5IO(DS1302 pin6) - Arduino D6SCLK(DS1302 pin7) - Arduino D7Vcc2(DS1302 pin1) - Arduino +5vGND(DS1302 pin4) - Arduino GND实验数据：4017数字集成块扩展Arduino开关阵列特点：十个开关占用三个数据引脚，之后每增加十个开关就增加一个引脚。4017是一块十进制计数器，每输入一个CLK脉冲，Q0Q9轮流产生高电平。每时刻有且只有一个引脚高电平。二极管防止多个开关闭合时，有的输出端输出高电平，有的输出低电平，互相接上的话，会低电平引脚会干扰高电平脚的工作。开关用10路拨动式小型开关，或者自己选择其他开关形式。电路工作原理：先在RST（4017的复位脚MR）发出一个脉冲，使4017复位。此时有且只有Q0输出高电平(Q0对应开关S1，Q9对应开关S10)，读取一次输出信号DATA。如果第一个开关S1闭合了，应该DATA得到高电平；如果S1断开了，就DATA得到低电平。此时记DATA结果对应第一个开关S1的状态。给CLK输出一个脉冲，让4017移位，有且只有Q1输出高电平（Q0，Q2Q9均为低电平）。读取DATA。得到S2状态。不断给CLK脉冲。总共给10次脉冲，让4017由Q0移动到Q9，完成一次开关遍历，每次移动获取一次DATA状态。存为S1S10状态。电路原理图：光控LED模块光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下漂移运动，从而使光敏电阻的阻值迅速下降。光敏电阻的工作原理基于内光电效应。在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状。在有光照射时，射入的光强，电阻减小，射入的光弱，电阻增大。下图就是一个光敏电阻本次实验设计的效果是，当光照正常的时候led灯是灭的，当周围变暗时led灯变亮。因为光敏电阻受不同光照影响变化很大，所以本次实验的参数是在60W三基色节能灯照射下实验（无日光照射），同样亮度的日光下光敏电阻的阻值会比日光灯下低不少，估计和不同光的波段有关系。不同环境下实验使用的参数不同，大家根据原理进行调整。实验前先测量一下当前环境下光敏电阻的亮阻值与暗阻值测出来的LED亮阻值，为9.1K测出来的LED暗阻值，为32.4K硬件连接图如下：实验数据：根据测出来的亮阻9.1K，暗阻32.4K。选定分压电阻为10K。因为当有遮挡物的后，阻值会变大。假设亮阻为 10K（对于光敏电阻来说，与测量出来的9.1K差别不大，计算起来更加方便了），分压阻值为10K欧姆。模拟2号口所测量的触发电压为10K分压 电阻的，在5V电源供电下，亮与暗转换的触发电压为510（10+10）=2.5V。当光线越暗，光敏电阻的阻值也就越大，分压两端电压也就越小。所 以触发条件就为2.5V。（不同光照条件下触发电压不同，请根据实验环境进行调整。）1602液晶显示模块1602液晶在应用中非常广泛，最初的1602液晶使用的是HD44780控制器，现在各个厂家的1602模块基本上都是采用了与之兼容的IC，所以特性上基本都是一致的。16