基于物联网技术的智能家居演示系统

引言

在20世纪80年代，由于很多电子技术家用产品的涌现， 人们便开始对智能家居有了一定的初步设想，自从世界上第一 幢智能家居1984年在美国建成以来，欧洲、美国、东南亚和 澳大利亚等一些经济比较发达的国家先后又提出了各种智能建 筑的策略，并在美国、德国、新加坡等国家广泛使用，而后我 国也相继出现了一些智能家居方案，并投入使用。

智能家居是社会进步和广大群众需求以及生产力发展相 结合的产物，随着群众生活水平的提高、国家相关部门的扶 持以及生产力发展相结合的产物，行业相关协会的成立，智能 家居将逐渐形成完整的生产链，其产品技术标准和规范也将 得到进一步的完善。文中主要研究的是一套基于嵌入式系 统且具有低成本、操作简单灵活的智能家居系统，其主要包 括了智能家居系统平台的整体设计，硬件平台的建立和各种功 能模块的软件编程及实现。

1智能家居概述

智能家居就是以住宅为平台安装智能家居系统的居住环 境，用来为人们提供一个方便、舒适和安全的居住环境。智能 家居现在发展多年，在业务链上，除了业务平台以外的各个 环节都已经发展较为成熟了，且都具有各自独立的标准体系。 但要在这种规模较小的现状下来实现大规模化发展，还是有 很多问题等待解决的。造成智能家居现状的原因也是多方面 的，例如资金不足、政府扶持不够以及物联网相关技术还不成 熟等诸多原因。

智能家居主要是以基本建筑设施为平台，安装有各种现代化电子设备，并通过现代化的信息技术设备对其进行统一的 管理、控制。现今，利用科学技术来改善生活环境已是必然趋势, 智能家居主要利用了各种信息通信技术、综合布线技术、多媒 体技术以及自动控制技术等，对所有接入管理系统的电子技术 组件进行集成。在这样的集成环境下，可以在一定程度上简化 居家事务管理，提高我们的生活效率，还能带给我们非同一般 的生活体验。同时考虑到全球对环境保护的呼吁，智能家居也 能够通过科学、合理的运作方式，起到节能、减排的作用。

2智能家居系统方案

本文是以家居环境为背景，以ARM开发板为设计平台, 围绕日常家居中的相关几个相关事件动作，设计了基于无线传 感器网络的智能家居演示系统。预期实现智能家居的主要功 能有:智能厨房、智能门禁、智能照明、智能窗户等4项功能。 下面就系统架构设计和软、硬件设计两大方面进行说明。

2.1系统框架结构设计

本设计智能家居系统的核心部分由ARM11核心板, GPRS模块，3G模块，无线传感器模块，门禁模块和终端执 行等模块组成，系统总体框图如图1所示。

图1系统总体框图

本系统所要实现的智能家居演示系统功能如下：

⑴室内光度、湿度、温度、二氧化碳浓度测量;

室内的暗亮情况智能控制电灯的开、关；

摄像头采集访客的照片并利用3G发送邮件给房主；

室内二氧化碳浓度如果过高就发送短信通知房主；

室外如果下雨，室内就智能关窗。

2.2系统京更件设计

2.2.1核兀、处理芯片的选择

本设计采用飞凌OK6410开发板，是一款基于三星公司 最新的ARM11处理器S3C6410。以它为主要核心控控制芯片, 其相关无线传感器对周边的环境进行相关数据采集，然后将 数据传送给核心控制中心，从而对整套系统进行实时控制与 监控。

S3C6410是由三星公司推出的一款低功耗、高性价比的 RSIC处理器，它基于ARM11内核，可广泛应用于通信等领 域,OK6410以独特的硬件优势、强大的软件功能和开源的共 享精神赢得了嵌入式行业的普遍赞誉，故以它作为试验平台来 验证智能家居系统设计及开发的可行性。

2.2.2远程通信模块的选择

目前比较流行的远程无线通信技术有GPRS与CDMA， GPRS是GSM向3G的发展中的一种过渡技术，是在GSM 的移动分组数据业务的基础上，向用户提供移动分组的IP或 者X.25连接。而CDMA是在扩频通信技术的基础上发展起 来的一种新型无线通信技术。它技术的原理是扩频-解扩原理， 以实现信息通信。系统中选用这两种无线通信技术，是因为它 们具有高速传输和实时在线等优点，符合本系统远程通信模 块的基本功能要求。

2.2.3近程通信模块的选择

由于智能家居对家居内的传输网络只需要传输小数据包, 所以不需要太大的传输速度，但家居中的家电设备多，所以又 需要其的网络容量，且信息的实时性要好、时延要短。要符合 这种要求的通信技术，在近几年出现了一种，它叫ZigBee技术， 是一种短距离无线通信技术，具有数据率低、成本低、传输 距离短但安全可靠等优点。这项技术的特点决定了它能很好地 满足智能家居系统在短程通信方面的需求。

2.2.4直流电机模块

输入为直流电能的旋转电机称为直流电动机，它能实现 直流电能转化为机械能。直流电动机具有较高的响应速度、 精度和频率、良好的调整转速、较高的工作效率、简单的控 制性能、优异的动态特性等优点，但是为了达到设计的要求, 并且更好的与主系统板相结合，我们采用5 V供电电压的电机 和相应的驱动芯片，加上软件产生的PWM信号来控制电压对 直流电机进行调速。这在性能指标、成本、易用性等方面上 无疑是一个较好的方案。

2.2.5摄像头模块

门禁系统的感知部件是摄像头，我们利用的摄像头是采 用最经典的中芯微301P方案，高品质64位真彩，其镜片采 用高品质不变形镜片，真实还原色彩。感光器件采用高品质 1/3 inch CMOS，感光效果超越CCD,支持VGA/CIF格式。 本摄像头采用USB接口，使用方便，速率高达30 f/s，信躁比 大于48 dB，拥有影像处理功能、MMX技术高速软解压和快 速压缩引擎。除此之外它还拥有新一代驱动，支持Windows XP 系统和最新的Win 7系统，并且支持动、静态图像捕捉和支 持Avi影像录制。

2.3系统软件设计

2.3.1嵌入式系统的选择

在确定硬件系统后，为配合硬件而达到系统的最优控制 要求，我们采用Linux操作系统。因为在Linux与ARM处理 器两个领域中可以看出，Linux系统在诸多方面都存在优势, 而且本身的ARM处理器与Linux也有着紧密的联系。

2.3.2开发软件

开发软件是基于Linux 2.6内核进行目标机开发，宿主机 使用Fedora与Win 7操作系统、ARM-Linux交叉编译环境、 QT 4.5图形库进行开发，用到了内核的配置编译与调试技术、 模块化驱动程序的使用、根文件系统的制作等技术。

2.3.3软件流程设计

本设计的软件流程设计分为两部分，第一部分为图2所 示的嵌入式系统软件流程图；第二部分为图3所示的外围系 统软件流程图。

图2嵌入式系统软件流程图

3测试

测试环境选在西北大学信息科学学院818实验室。测试 的主要流程有：

布置节点采集温度、湿度、光强、二氧化碳浓度值;搭建好初始化系统，接收采集到的数据；

终端执行响应命令和查收文件。

测试的重点主要在以下四个方面：一是用摄像头采集访 客的照片并利用3G发送邮件给房主；二是在室内二氧化碳浓 度超过阈值时发送短信以通知房主；三是如果室外下雨，室内 就智能关窗；四是以室内的暗亮情况来智能控制电灯的开、关。

图3系统软件总流程图

本系统的初始化界面如图4所示，本界面的主要信息为 接受信息的手机号码、接收邮件的邮箱地址以及相关的控制 和设置按钮。图5所示为采集数据的界面。

图4系统初始化界面

图5采集数据界面

点击Knock_door按钮，便可开始采集来访者照片，并利 用3G模块发送至指定邮箱，邮件目录及内容如图6所示。这 样，打开邮件阅读图像，可见图片信息完整，以邮件附件的形 式发送得到的结果与预期结果一致。

(a)邮件目录

(b)邮件内容

图6邮件的目录及内容图

如果人为地使节点采集到二氧化碳的溶度超过阈值，这 时，观察终端手机接收情况如图7所示，也就是终端手机的 短信图。可见，其结果是成功收到基站发来的一条短信，并正 确的收到了短信内容，通知业主，从而达到了预期的目的。

图7终端手机短信内容

然后，也可以人为地使节点采集到温湿度值达到下雨时 的那个范围，这时也可以观察终端电机控制的窗帘情况，图8 所示是窗帘关闭的情况，可见其结果符合预期的结果。

最后，再人为地使节点采集到的光照强度值达到该开灯 的那个阈值，当光强低于1 000个单位时，我们可以观察终端 电灯的亮灭情况，图9所示是电灯开启的图片，符合预期的结果。随后，当光线增强，光照强度值达到预设阈值时，电灯关闭，符合设计要求。期间系统命令存入日志中，图 10 所示是日志记录图。

4 结 语

智能家居作为住宅技术信息化的实现方式，已经成为了社会信息化快速发展的重要因素。无论是从个人需求还是从国家政府需求来看，都能凸显出智能家居这个产业领域的发展迫切性。在目前的技术发展背景下，物联网将是智能家居产业发展中一个比较现实的突破口，而且它对智能家居产业的发展有着重大意义。随着物联网技术的发展与成熟，它将成为智能家居行业的产业化加速器。但在物联网给智能家居领域带来机遇的同时，它们所面临的问题同样是不可忽视的，因为挑战与机遇并存。

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