物联网智能家居研究意义与现状

　　第一章 绪 论

　　近几年，物联网技术得到越来越多的应用，但关于物联网的定义到现在还没有一个统一的定义从字面上解释，物联网就是“物物相连的互联网”。可以这样理解：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[1]。通过物联网把我们周围的一切物体联系到一起，社会变得更加智能，更加方便安全。

　　智能家居的概念早在上世纪 80 年代初就已经提出。以“住宅电子化”实现，到了80 年代末，逐步提出了"住宅智能化"，也就是现在所说的智能家居的原型。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[1]。它的研究与设计将优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性、舒适性，甚至合理控制各种能源的使用。家居智能的基本目标是：将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安防装置通过家庭总线技术(HBS)连接到一个家庭智能化系统上进行集中或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的协调[2]。

　　1.1 研究背景

　　智能家居是指通过家庭总线把家庭内的各种信息传输设备、家居用电器、家居安防设备全部接入到网络当中，对家居状态进行远程的监控和管理，并使家居中的设施与住宅环境保持协调，提供工作、学习、休闲等服务项目，构造出多功能、智能化的家居环境。家居智能化强调以人为本，把人和居住环境的协调放在首位，从多方面方便居住者的生活环境，全面提高居住者生活的质量。智能家居也可以定义为一个过程，或者定义为一个系统。这个过程或系统利用先进的自动化控制技术和综合布线技术，以及网络通讯技术构建和家居生活相关联的各个子功能模块，并将其紧密地融合起来，经过统一的管理，将传统家居静止被动的结构转变为拥有智慧能动的新型态，为住户生活提供完备的信息交换功能，帮助家庭与外部、使用者与家庭环境之间保持信息交流畅通，优化人们的生活方式。

　　物联网成为近年来全球关注和研究的热点领域，它经由红外线感应设备、射频识别设备(RFID)，激光扫描器、全球定位系统等信息识别与传感设备，按约定的协议把任何物品接入到互联网并进行信息的交换和通信，实现了智能化识别、跟踪、监控、定位和管理[3]。

　　物联网的功用表明物联网在任何时间、环境、任何物品、人、企业、商业，采用任何通信方式，满足所提供的任何服务要求，实现了物品到物品、人到物品、人到人之间的互联，将互联网提升到了一个新的维度，是未来网络通讯发展的趋势。

　　1.2 研究目的和意义

　　随着社会经济结构、家庭人口结构以及信息技术的发展变化，人们对家居环境的安全性、舒适性、效率性、透明性提出了更高的要求。同时越来越多的家庭要求家居产品不仅要具备简单的智能，更要求整个系统在功能扩展、外延以及服务方面能够做到简单、方便、轻松、安全。很显然，我们的家居生活需要改变。建筑技术、现代控制技术、计算机技术、信息与通信技术的不断发展成熟，智能家居正慢慢的走进我们的生活。

　　物联网智能家居，让你无论你身处何地，都可以及时洞悉家中的风吹草动，它可以将你的风险降到最低，舒适升到最佳，效率达到最优。 从此不必担心外出后忘记了关灯，关门，不用担心浪费能源和时间，也不必担心室内空气污浊，更不必担心陌生的闯入者，你尽可以享受高质量的生活，一切，由物联网智能家居系统为您守候[4]。

　　目前对智能家居的控制主要通过两种方式来实现：(1)有线控制，如 LonWorks、X.10、RS485 等；(2)无线控制，如 Wi-fi，蓝牙、ZigBee 等。采用有线布局方式的智能家居，布线繁琐，造价昂贵。另外有线传输方式增加和删减设备都要重新布线，也不利于家居的美观；并且系统可扩展性差，系统安装和维护成本高，移动性能差。即便是 X.10，虽然不用重新布线，但在我国大部分地区的电压还不是很稳定，对系统的控制会造成一定的影响。再者智能家居内部设备的通信和控制没有一个国际上统一的通信接口标准，容易造成家居设备在家庭内部的编码方式随便混乱[5]。

　　智能家居就是以家庭为中心，建立一个实时，高效的控制网络。在家居控制中为每个控制节点提供了安全、可靠的通道，在家居网络控制系统的实时控制之下，通过软件及硬件相应的执行机制，对所有连接到智能家居网络上的各种设备实现监测和控制。智能家居需要网络的帮助下，形成与外界的沟通渠道，以实现与外界的智能家居电器的信息交互。从而满足用户对家居实行远程监控，对对家用电器远程控制和状态查询，满足人们对安全，舒适，便利的生活需求。的事情，我们满足了智能家居，家电和检测设备，内置无线传输模块，实现了三维空间数据传输的上述要求，互联网的出现，并减少因线缆布局的干扰。添加新的无线设备布局，降低系统维护成本和升级。

　　与通信及子节点效率的定位是网络应用程序支持的一项重要技术。要找到节点和控制设备和监控是物联网是一个关键的众多应用。智能家居控制系统，实现单一控制节点的智能家居跟踪分析性能的操作过程中，应先了解发送到命令或从那里上传监测数据。

　　获取监控设备的位置和实时信息，让每个监控设备的实时控制非同寻常的意义，实现了智能家居控制系统。基于物联网无线通信的控制模式智能家居控制系统，该系统无需布线，操作简单，并提供了可靠的保证为人们实现智能家居：在嵌入式系统中实现软，硬件系统智能家居的切割和延伸，它提供了一种有效的解决方案，为人们实现家居方便，舒适，网络生活。

　　物联网的出现满足了我们对智能家居的上述要求，通过在家电和各探测设备内置无线传输模块，实现了数据的三维空间传输，减少了有线布局带来的各种干扰。无线布局便于新设备的添加，降低了系统维护、升级优化的成本。与各子节点高效的通信和定位，是物联网应用的重要技术支撑点。对网络节点和控制设备的定位与监控，是物联网众多应用中的一个关键应用。在智能家居控制系统的运行过程中，为实现智能家居中单个控制节点的性能追踪分析，应首先明白命令发送至何处，或者所监测的数据自何处上传。获取监测设备的位置与实时信息，对于实现智能家居控制系统对各监控设备的实时控制有着非凡的意义。基于物联网的智能家居控制系统以无线通讯作为控制方式，由于系统无须布线操作简单，为人们实现家居的智能化提供了可靠的保障：

　　以嵌入式系统来实现智能家居系统软、硬件的裁剪以及扩展，为人们实现家居便捷的、舒适的、网络化的生活提供了有效的解决方案[3]。

　　1.2.1 物联网智能家居与传统智能家居的区别

　　传统意义上一般都认为智能家居是带来生活品质的提升，其实物联网型智能家居正在改变这些观点，最显着的变化就是实用、方便、易整合。每一个家庭中都存在着各种电器，不管是号称智能的冰箱、空调还是传统的电灯、电视一直以来由于标准不一都是独立工作的，从系统的角度来看，他们都是零碎的、混乱的、无序的，并不是一个有机的、可组织的整体，作为家庭的主人面对这些杂乱无章的电器其消耗的时间成本、管理成本、控制成本通常都是很高的并且是非必要的。

　　无线物联网技术的出现，给传统的智能电器、智能家居带来了新的产业机会，通过它可以将家中的各种电器通过无线方式非常方便地有机组织起来，形成一个完整的系统，从而可以实现无缝感知并完整管理。这种以前无法想象并深具挑战性的应用今天一旦使用无线物联网技术连接就会变得轻松、方便并且非常有趣。这些应用并不仅仅是生活品质的提高，更大程度上可以看作是现代家庭的一种最基本需求。

　　相比物联网智能家居，传统的智能家居不易扩展，灵活性低，兼容性差，升级成本昂贵，维护成本高[4]。

　　1.2.2 ZigBee 智能家居产品与传统智能家居产品的比较

　　物联网一个重要特征就是能够快速大规模部署并能够长期稳定运行，这样的特征就要求我们的家居产品必须具备无线、无缝、绿色、安全、可靠的能力，从这些基本能力来看，传统的所谓智能家居产品显然已经不能适应物联网时代的要求。

　　从组网能力来看，蓝牙、WiFi、315M/433M 等无线技术只适用简单的星型网络，组网能力有限，不具备网络修复能力，而 ZigBee 网络能够组成除星型网络之外的树状网和更复杂的网状网。

　　从安全性来看，ZigBee 具备特有的安全层，采用 128K 的高级加密技术，具有非常高的安全性，而蓝牙、WiFi、315M/433M 等无线技术的安全性普遍较差，泄密事件频发[4]。

　　从可靠性来看，ZigBee 同时采用了跳频和扩频技术，有着极强的抗干扰能力，而蓝牙、WiFi、315M/433M 等无线技术的抗干扰能力一般，特别是 315M//433M 射频更容易被控制截码并很容易被模拟，可靠性很低。

　　与传统智能家居相比,基于物联网的智能家居在很多方面都具有明显的优势：具有安全层，安全性好，采用高级加密技术，至今在全球没有破解先例;同时采用跳频和扩频技术，抗干扰能力强;采用经过标准的通讯标准，可靠性高;自组网能力强，组网规模大，最大网络可负担 6 万多设备;具备网络自愈能力，任何节点的掉线或崩溃不会影响整个网络的稳定;功耗低，很多传感器适用普遍电视供电可以工作 1 年以上;兼容能力强，可伸缩，采用国际通用的标准协议，可以兼容其他品牌的设备，随时可扩容扩展；全覆盖，无盲区，具有有线方式无法企及的优势[4]。

　　因此，基于物联网的智能家居控制系统具有一定的实用价值和广泛的推广价值。

　　1.3 现状与发展趋势

　　1.3.1 智能家居现状

　　20 世纪 80 年代，发达国家的智能化住宅小区就开始起步，配备有各种安保、通信、家电等设备，经过信息传感技术、应用计算机技术与总线技术，完成监控与智能化管理等功能。美国最先建造起智能化小区，由于市场与社会的需求，美国领导人宣布成立了一个由住宅开发商、联邦政府、保险商、制造商与财政机构等组成的组织：“智能化住宅技术合作联盟”[3]。对住宅智能化技术、产品、应用系统等进行测试、规范，引导新技术进行住宅设计和制造。

　　应用于智能化居住小区的基础产品，在发达国家己形成系列。西班牙、意大利、美国等国的智能家居产品，由于通过了 ISO 认证，牢牢的占据了国际市场。家庭综合布线系统是智能化居住小区的基础。美国西蒙公司、朗讯公司、丽特公司与奥地利公司等已研发出成熟的家庭综合布线系统产品，但价格都比较昂贵[3]。

　　国际市场上目前的智能化家居类产品大体有 NEYWELL 开发的智能家居用品，NI 智能家庭系统和 ALdeluxe 智能家居系统几种。

　　我国的一些厂家从2000年开始对网络家用电器进行研究，并推出了一些成熟的产品。但与欧美等发达国家相比我国的智能化住宅发展较晚，没有形成统一的标准与协议，主要运用外国的产品与技术，但是一些厂家还是推出了拥有自主知识产权的产品[6]。

　　1.3.2 智能家居发展趋势

　　根据目前的技术和社会发展，相对以往智能家居应用主要是在高档小区相比，智能家居正在一步步向平民化迈进，未来的发展和研究趋势具有统一的接口标准和规范、网络化、无线化、脱离 PC 化、智能化、人性化、个性化、操作方式简单和多样性、成本低廉化、大众化等特点，也就是说未来的智能家居的发展不仅仅是高端、大气、上档次，而是低调、普及、有市场。

　　1.4 论文的组织结构

　　全文共分五个章节，内容组织如下：

　　第一章：主要对系统研究的背景、研究的目的和意义，国内外的相关研究进展和发展趋势进行了详细的阐述，并就文章的组织结构进行了说明。

　　第二章：详细说明了物联网智能家居控制系统的整体设计，从用户的需求角度对智能家居控制系统硬件的各部分功能进行了深入的研究，并给出了设计方案和制作过程。

　　第三章：对物联网智能家居控制系统的软件部分进行了详细的设计，针对通信控制协议、GPRS 模块的控制、以太网连接和控制等方面的设计进行了深入的说明，并实现了相关功能的设计。

　　第四章：系统测试。对设计完成的智能家居控制系统进行功能测试，主要测试了以太网模块、物联模块、GPRS 模块等的功能，在测试的过程中基本实现了预想的设计效果。

　　第五章：结论。总结在开发和设计过程中的经验和教训，以及存在的不足和需要改进的地方，为以后改进和后续开发提供借鉴。