物联网智能家居系统的研究.doc

物联网智能家居系统的研究摘要：从技术上理解，物联网是指物体通过智能感应装置，经过传输网络，到达指定的信息处理中心，最终实现物与物、人与物之间的自动化信息交互与处理的智能网络。从应用上理解，物联网是指把世界上所有的物体都连接到一个网络中，形成“物联网”，然后“物联网”又与先有的互联网结合，实现人类社会与物理系统的整合，达到更加精细和生动的方式管理生产和生活。智能家居通过家居智能管理系统的设施来实现家庭安全、舒适、信息交互与通信的能力。关键词：物联网 智能家居 无线网络 射频信号发射器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是通过射频识别(RFID)、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。2 物联网的核心技术2.1 RFID技术RFID(Radio Frequency Identification)，即射频识别，俗称电子标签。RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。 RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。一套完整的RFID系统, 是由阅读器(Reader)与电子标签(TAG)也就是所谓的应答器(Transponder)及应用软件系统三个部分组成, 其工作原理是Reader 发射一特定频率的无线电波能量给Transponder, 用以驱动 Transponder电路将内部的数据送出，此时 Reader 便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理。2.2 WSN技术WSN是Wireless Sensor Network的简称，即无线传感器网络。它是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。2.3 传感器温度传感器是一种将温度变化转换为电量变化装置。将温度变化转换为热电势变化的称热电偶传感器。将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；金属热电阻式传感器简称为热电阻，半导体热电阻式传感器简称为热敏电阻。温度传感在工业生产、科学研究、民用生活等许多领域得到广泛应用。电阻式传感器广泛被用于-200960范围内的温度，是利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的性质工作的，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值对应的温度值。电阻式传感器分为金属热电阻传感器和半导体热电阻传感器两大类。前者称为热电阻，后者称为热敏电阻。2.4 数据库技术物联网在数据库技术方面应用广泛。在国际物联网方面，美、德、荷、日等国，物联网技术的发展已进入数据库开发、网络多媒体技术应用和生产自动化控制等新阶段。通过物联网技术的应用改变了传统农业生产粗放的作业方式，已经初步形成了信息农业发展的技术体系实现了相关软硬件产品的产业化拓展。物联网可以通过数据分析提高生产效率，提高产品的实用性。2.5 安全技术传统的网络中，网络层的安全和业务层的安全是相互独立的，而物联网的特殊安全问题很大一部分是由于物联网是在现有移动网络基础上集成了感知网络和应用平台带来的。因此，移动网络中的大部分机制仍然可以应用于物联网并能够提供一定的安全性，如认证机制、加密机制等。物联网应用广泛，下面以智能家居为例对物联网作分析。3 系统框架结构设计智能家居系统依据全面感知、可靠传递、智能处理的功能需求，可划分为感知层、网络层和应用层三个层次。 感知层 感知层包括各类搭载了ZiBee无线通信模块的家用电器、照明设备和安防设备等，实现对家庭环境的全面感知，并由智能家庭网关实现感知层和网络层的数据交互。 网络层网络层包括一台数据库服务器和一台 Web 站点服务器。数据库服务器用于同家庭数据网关进行数据交互； Web 站点服务器通过访问上述数据库服务器获取数据信息，并通过 Web 站点发布到互联网上。 应用层应用层包括各类搭载了 Web 浏览器的终端设备，用户可通过 Web 浏览器访问上述站点实现对智能家居系统的管理和控制。智能家居系统的总体架构如图 1 所示。图1 系统框架结构 图2 系统硬件架构4 系统硬件设计智能家居系统的硬件主要包括无线传感网络、智能网关、数据库服务器等的设计，具体介绍如下。首先，对处于感知层的 ZigBee 无线传感网络进行设计，包括多个 ZigBee 终端 /路由节点和一个 ZigBee协调器节点。通过在家居设备节点上搭载上述 ZigBee通信控制节点，将散布在家庭环境中的各个设备节点组成无线传感网络，从而实现各类家居设备的连接以及智能化。其中，ZigBee 协调器负责整个无线传感网络的组网和路由维护，并实时地将无线传感网内节点的感知数据上传给监控用 PC，同时接收并转发由上述监控用 PC 发送来的控制数据。然后，将上述监控 PC 机通过 WiFi 或以太网，与 Internet 路由器相连接组成家庭智能网关。其中，PC 机在数据下行侧与无线传感网络中的协调器通过 RS-232 串行通信接口相连接； 路由器在数据上行侧与数据库服务器通过互联网相连接，通过“PC 机 + 路由器”的模式实现了连接传感网与互联网间的网关功能。通过上述“PC 机 + 路由器”的模式，实现了连接传感网与互联网间的网关功能。同时，在互联网中搭建一个基于 Microsoft SQLSever 2005 的数据库服务器，用于与上述路由器进行数据交互，并对这些数据进行智能分析处理和存储； 另外搭建一个基于NET 框架的Web站点服务器，通过访问上述数据库服务器获得实时的家居环境数据，并通过Web站点发布给用户；接着将在Web页面上接收到的用户指令交递给数据库服务器。最终，远程用户通过各类搭载了Web浏览器的终端设备访问Web站点，以实现对家居设备的监视和控制。整个系统主要由无线传感网络、监控用 PC、路由器、数据库服务器、Web 站点服务器以及各类终端设备组成，系统硬件架构如图 2 所示。5 系统软件设计位于智能家居系统网络层的数据库服务器，汇聚了由感知层传来的各类节点的数据信息。为了将众多数据进行有效的归纳汇总，并且最终实现智能的分析管理，就需要用到数据库管理系统。数据库管理系统是一个通过数据结构来管理和存储数据的计算机软件系统，具有数据安全性控制、数据完整性控制、并发控制以及故障发现和恢复等功能，能够对存储在计算机内的数据集合提供高效、灵活的访问方式。本系统采用 Microsoft SQL Sever 2005 作为数据库管理系统，并通过设计用户信息管理模块、设备信息及活动状态管理模块和汉英互译模块三个模块，来满足智能家居应用的具体需求。用户信息管理模块包括一张存储用户 ID、用户登录名、登录密码、访问权限以及计费信息的表单。计费信息表单以用户 ID 作为主键，每个用户 ID 对应一条不重复的记录。用户只有在通过认证后才能登陆 Web站点并获取数据服务，同时依据其具有的访问权限对自有设备进行管理和控制，并且按照一定的计费方法支付给服务提供商费用。设备信息及活动状态管理模块由四张表单组成，分别为节点信息注册表、设备实时活动状态记录表、设备历史活动记录表和节点类型记录表。 节点信息注册表，它用于保存节点的静态描述信息，包括节点 ID、节点类型和节点所有者等信息。该表单使用节点 ID 作为主键，每个节点通过节点 ID 对应一条不重复的记录，用于记录节点的各种基本属性。 设备实时活动状态记录表，它用于保存节点的动态描述信息，即节点当前的活动状态信息，包括节点ID、当前指令执行内容、当前指令执行状态和当前节点活动状态。该表使用节点 ID 作为主键，每个装置节点通过节点 ID 对应一条不重复的记录，并根据感知层发送上来的信息对其进行实时更新。 设备历史活动记录表，它用于保存节点的历史活动信息，包括节点 ID、节点历史事件时间记录和节点历史事件内容记录。该表使用节点 ID 作为主键，每个装置节点通过节点 ID 对应多条不重复的历史活动记录，以备数据库管理系统访问调取。 节点类型记录表，它用于保存不同类型节点的能力描述信息和指令集信息，包括节点类型和节点可执行指令。该表单以节点类型为主键，每个节点类型对应多条不重复的记录，每条记录对应一条不同的可执行指令，如照明类型节点需要有开关指令和亮度调节指令，空调设备需要有模式控制和温度设定等指令。在感知层和网络层的信息及指令交互过程中，为了便于各个功能模块对数据进行处理以及转发操作，系统内部均采用了英语作为交互语言； 而在通过 Web页面向用户呈现节点状态及接收用户控制指令时又需要将上述信息进行汉化，故设计了英汉互译模块。英汉互译模块包括一张用于英汉互译的汉英字符串互译对照表。该表单以英语字符串为主键，每条英语字符串对应一条相应语义的汉语字符串。为了在应用层向用户提供更为直观的数据服务，需要将这些数据在 Web 页面显示时进行汉化。6 物联网的未来场景 尽管物联网现在还存在着的一些问题，但我们依然认为，应用的发展是伴随着技术的成熟而逐渐应用到各个方面的，并不是应用在等待技术完全成熟以后才会开始。物联网可能是续互联网、无线互联网和绿色革命之后全球重大的科技革命，也是影响人类生产和生活的历史大趋势之一。从长期角度来看，任何变革都会带来某些产业的兴盛和另一些产业的衰落；因此关注物联网发展的趋势及其影响，一方面是在物联网的发展过程中寻找新的投资机会，另一方面是要避免自己的投资在物联网发展过程遭受损失。7 结束语随着物联网技术的发展，智能家居作为其中一块应用前景广泛而且潜在市场巨大的应用领域，其价值越来越引起各大厂商的关注。本文从智能家居系统的具体应用需求出发，针对用户服务访问设行效率，特别适合应用于服务器和用户信息交互频繁的智能家居系统。针对管理员、普通用户和来宾这三种不同的用户服务访问设备资源有限的特点设计了一个基于B /S架构的物联网智能家居系统，提出了一种有效的智能家居系统实现方式。参考文献：1 方彦军，孙健.智能仪器技术及其应用M.北京:化学工业出版社， 20032 潘永雄，沙河，刘向阳.电子线路CAD实用教程M.西安:西安电子科技大学出版社，20013 余锡存，曹国华编著.单片机原理及接口技术M.西安：西安电子科技大学出版社，2007 4 张伟，张杰.单片机原理与应用M.北京: 机械工业出