結(jié)合智能家居的物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

楊宏偉，朱紅梅，韓永林

(長春理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春 130022)

目前，世界發(fā)達(dá)國家為了推動(dòng)信息社會(huì)發(fā)展，提出建設(shè)“無所不在的網(wǎng)絡(luò)社會(huì)”，并將其作為國家或地區(qū)信息化發(fā)展的重要組成部分。以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、下一代互聯(lián)網(wǎng)和下一代移動(dòng)通信技術(shù)等為代表的新一輪信息技術(shù)革命正在催生新技術(shù)、新產(chǎn)品、新應(yīng)用和信息產(chǎn)業(yè)群［1－2］。

物聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用在智能電網(wǎng)、智能交通、智能物流、智能綠色建筑、智能檢索、環(huán)境監(jiān)測和智能家居等領(lǐng)域。其中智能家居因其應(yīng)用前景廣闊、潛在市場需求巨大、發(fā)展迅猛受到社會(huì)廣大關(guān)注。智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和影視技術(shù)，實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的集成，從而構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日常應(yīng)用的管理系統(tǒng)，滿足用戶對家居生活安全舒適、便利環(huán)保等要求［3］。

物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)緊密圍繞課程教學(xué)大綱，結(jié)合單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)及智能終端等軟硬件平臺(tái)，可以全方位覆蓋物聯(lián)網(wǎng)的感知與標(biāo)識(shí)、通信與網(wǎng)絡(luò)、接入與處理三個(gè)不同層面的各項(xiàng)核心關(guān)鍵技術(shù)。在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索過程中，智能家居是一個(gè)非常典型的應(yīng)用。

智能家居系統(tǒng)利用無線射頻技術(shù)(RFID)來實(shí)現(xiàn)信息傳遞并通過所傳遞的信息，達(dá)到自動(dòng)識(shí)別的目的。該系統(tǒng)將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)，有機(jī)地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加美好［4］。

一、智能家居系統(tǒng)功能需求

智能家居系統(tǒng)的基本功能是將信息家電組合成一個(gè)智能化網(wǎng)絡(luò)，并能夠進(jìn)行安全防范報(bào)警，主要包括安防系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)及聯(lián)動(dòng)抓拍三個(gè)部分。

安防系統(tǒng):在家居環(huán)境內(nèi)，提供煤氣監(jiān)控、門窗防盜監(jiān)控、安全防火、防盜監(jiān)控等安防子系統(tǒng)，也可以根據(jù)實(shí)際需要自定義安防系統(tǒng)。

聯(lián)網(wǎng):智能化家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建立在智能小區(qū)局域網(wǎng)平臺(tái)上，并能將其連入計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)。如果發(fā)生警情，報(bào)警信息能夠及時(shí)上傳至智能小區(qū)管理中心，保安人員會(huì)及時(shí)與業(yè)主聯(lián)系并上門服務(wù);同時(shí)報(bào)警信息業(yè)能夠及時(shí)發(fā)給設(shè)定好的相關(guān)固定電話和移動(dòng)手機(jī);室內(nèi)報(bào)警系統(tǒng)也會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。

聯(lián)動(dòng)抓拍:不明身份人員入侵家居環(huán)境后，觸發(fā)探測器，啟動(dòng)攝像機(jī)及時(shí)抓拍其圖像，并保存在預(yù)置分機(jī)中。

根據(jù)本系統(tǒng)功能需求，具體闡述其總體構(gòu)架及設(shè)計(jì)部署。

二、智能家居系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能家居系統(tǒng)中的各子系統(tǒng)以應(yīng)用模塊的方式存在，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和信息處理層三個(gè)部分，是一個(gè)典型的物聯(lián)網(wǎng)DCM三層架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 智能家居系統(tǒng)總體架構(gòu)

其中信息處理層是整個(gè)系統(tǒng)對外展現(xiàn)的窗口，提供個(gè)性化的用戶界面，它包括許多通用組件，如報(bào)警監(jiān)控、實(shí)時(shí)監(jiān)控、視頻監(jiān)控及系統(tǒng)查詢、配置、管理等;網(wǎng)絡(luò)傳輸層提供用戶界面所需的經(jīng)邏輯處理后的所有數(shù)據(jù)，它控制與其他子系統(tǒng)的通信和中心數(shù)據(jù)庫的連接及業(yè)務(wù)處理。同時(shí)將各種通信接口以插件安裝的形式集合在通用通信網(wǎng)關(guān)中，以統(tǒng)一的XML數(shù)據(jù)格式，將本系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)聯(lián)通;感知層針對要集成的對象，如視頻監(jiān)控、安防系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)等，對其要監(jiān)測的內(nèi)容進(jìn)行部署［5］。

三、智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)及部署

家居智能化網(wǎng)絡(luò)具有易變的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可根?jù)需要進(jìn)行自組織，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置，從而保持網(wǎng)絡(luò)的連通性。自組織過程結(jié)束后，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入正常運(yùn)行階段。本系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)兩部分。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主要由服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)與應(yīng)用軟件和GPRS通信模塊組成?，F(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要由無限傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，包括監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)由GPS接收機(jī)、單片機(jī)、射頻模塊和GPRS通信模塊組成，監(jiān)控終端節(jié)點(diǎn)由傳感器和射頻模塊組成。由GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)之間的通信。其現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)部署如圖2所示。

圖2 智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)部署

智能家居系統(tǒng)是一個(gè)以智能網(wǎng)關(guān)為中心協(xié)調(diào)器所組建的ZigBee星狀網(wǎng)絡(luò)。在家居環(huán)境中安裝的各種安防檢測模塊節(jié)點(diǎn)，一旦監(jiān)測到異常情況，立即會(huì)將立即情況的具體信息發(fā)送到家居智能網(wǎng)關(guān);家居智能網(wǎng)關(guān)對接收到的信息進(jìn)行相應(yīng)的處理，如現(xiàn)場聲光報(bào)警、無線報(bào)警或者通過智能小區(qū)局域網(wǎng)連至計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)做相應(yīng)的處理。

(一)智能網(wǎng)關(guān)

家居智能網(wǎng)關(guān)是通信、決策、報(bào)警的核心，部署在智能家居網(wǎng)絡(luò)中心，它一方面利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)，對布防在家居環(huán)境中的各個(gè)安防監(jiān)測模塊節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理和控制;另一方面通過GSM模塊實(shí)現(xiàn)與外網(wǎng)用戶的遠(yuǎn)程通信。當(dāng)檢測到異常情況時(shí)，智能網(wǎng)關(guān)通過GSM模塊向遠(yuǎn)端用戶發(fā)送報(bào)警短信息或者自動(dòng)撥打報(bào)警電話，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線監(jiān)控。

圖3為智能網(wǎng)關(guān)的組成原理示意圖，主要由PC機(jī)、GSM模塊、現(xiàn)場報(bào)警模塊和射頻模塊組成，可以 RF、WLAN、WIFI、RS－485等通信方式實(shí)現(xiàn)通信。射頻模塊采用TI公司的CC2430和CC2591。CC2430在整個(gè)芯片上集成了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微處理器。CC2591集成功率放大器、平衡轉(zhuǎn)換器、交換機(jī)和RF匹配網(wǎng)絡(luò)等，最大輸出功率達(dá)22dBM，通信距離可達(dá)30 m。

圖3 智能網(wǎng)關(guān)組成原理示意圖

(二)安防監(jiān)測節(jié)點(diǎn)

在家居環(huán)境中可能出現(xiàn)安全隱患的區(qū)域部署各類安防監(jiān)測模塊，形成安防監(jiān)測感知節(jié)點(diǎn)。根據(jù)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)的不同，部署不同的無線傳感器，如溫度、濕度、煙霧、紅外或振動(dòng)等無線傳感器。

(三)ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)

智能家居系統(tǒng)按照接入網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度，采用RFID簡單接入和多跳接入兩種形式。簡單接入是在采集設(shè)備獲取信息后，通過有線或者無線方式將數(shù)據(jù)直接發(fā)送至承載網(wǎng)絡(luò)。多跳接入是利用傳感網(wǎng)技術(shù)，將具有無線通信的微小傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織方式，自主完成網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)組織和數(shù)據(jù)的傳遞，ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)已成為多跳接入方式的核心。

本系統(tǒng)在部署安防監(jiān)測節(jié)點(diǎn)后，采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線自組網(wǎng)絡(luò)。在軟件設(shè)計(jì)上包括初始化程序、發(fā)射程序、接收程序、協(xié)議棧配置、組網(wǎng)方式配置程序以及各處理層設(shè)置程序。初始化程序主要對CC2430、USAR串口、協(xié)議棧、LCD等進(jìn)行初始化;發(fā)射程序?qū)⑺杉臄?shù)據(jù)通過CC2430調(diào)制并通過DMA直接送至射頻輸出;接收程序完成數(shù)據(jù)的接收并顯示、遠(yuǎn)傳及返回信息處理;PHY、MAC、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層程序設(shè)置數(shù)據(jù)的底層、上層的處理及傳輸方式。具體采用主從節(jié)點(diǎn)方式傳送數(shù)據(jù)，將與GPRS連接的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為主節(jié)點(diǎn)，其它傳感器節(jié)點(diǎn)作為從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)可以向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送中斷請求信號(hào)。從節(jié)點(diǎn)打開電源，初始化，建立關(guān)聯(lián)連接后直接進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)接收到中斷請求時(shí)觸發(fā)中斷，激活節(jié)點(diǎn)，發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包，處理完畢后繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待有請求時(shí)再次激活。通信流程如圖4所示。

圖4 ZigBee通信流程框圖

除ZigBee通信系統(tǒng)外，本系統(tǒng)還結(jié)合用戶端的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用Access數(shù)據(jù)庫平臺(tái)和ADO數(shù)據(jù)庫連接技術(shù)，并使用Delphi編程語言實(shí)現(xiàn)界面、管理、查詢操作以及GPRS平臺(tái)上的數(shù)據(jù)收發(fā)［6］。

(四)數(shù)據(jù)庫管理軟件設(shè)計(jì)

位于智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，匯聚了由感知層傳來的各類節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，為了將更多有效信息歸納匯總，并且實(shí)現(xiàn)最終的智能分析管理，就需要利用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用Microsoft SQL Server 2008作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并通過安防信息采集，用戶自定義設(shè)置和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等模塊的管理，來滿足智能家居的具體需求。

四、結(jié)束語

本文在圍繞物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱的基礎(chǔ)上，從實(shí)際應(yīng)用需求角度出發(fā)，以智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例，闡述整體架構(gòu)及總體設(shè)計(jì)部署方法，結(jié)合ZigBee通信技術(shù)，提出一種有效的智能家居設(shè)計(jì)理念。通過實(shí)際案例，改革教學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣、創(chuàng)新思維和綜合實(shí)踐能力，進(jìn)一步促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高。

［1］ 國務(wù)院發(fā)展研究中心技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究部．物聯(lián)網(wǎng)影響未來［M］．北京:中國發(fā)展出版社，2011:1－3．

［2］ 俞文俊，凌志浩．一種物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)的研究［J］．自動(dòng)化儀表，2011(8):56 －59．

［3］ 劉云浩．物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)論［M］．北京:科學(xué)出版社，2012:341－342．

［4］ 周洪波．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)和商業(yè)模式［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2011:340－341．

［5］ 劉化軍，劉傳清．物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2011:270 －285．