物聯網技術在智能家居中的應用設計

安徽財經大學 邢亞楠

1 引言

物聯網理念目前已被大眾逐步了解，并且隨同傳感器技術的發(fā)展，通信和互聯網的成熟逐布應用到到社會的每個角落。物聯網存在的意義就是，它完全改變了人與機器、世界以及周邊環(huán)境的交流方式，通過物聯網技術，人們就可以更自由，更簡單的獲取各種各樣的生物、物理、化學信息，也更加方便地與機器、設備進行交互，甚至能夠在機器與機器（M2M）之間，架起通信和對話的渠道，讓機器協(xié)同工作，更好地為人類服務。伴隨互聯聯網進入大數據時代，通過對海量的環(huán)境數據進行存儲，并提取有價值的信息相整合和形成數據模型，對科學研究，現代化城市管理，自然科學研究等方面，都有著十分重要的意義。一些大公司也都在積極進行物聯網技術的探索，例如IBM的智慧星球，谷歌的智能眼鏡，NASA的星球皮膚等項目，并逐漸獲得了市場與人們高度的認可。

那么物聯網具體有哪些實在形式，它又能為人類提供哪些方面的便捷呢？最典型的應用，就是使用二維碼或者RFID技術，對各種各樣的物體進行唯一性的標志，使得物品能夠從生產到銷售再到回收流程中，都能夠被自始至終的監(jiān)控，比如對農產品的原產地進行精確回溯，對大型生產機械的制造和運行進行實時監(jiān)控，這樣不且可以對產品的質量問題快速定位、快速響應外，還給予了用戶更加開發(fā)的能力，比如遠程對生產機械的工作情況進行獲取甚至遠程控制機械。

一個系統(tǒng)的物聯網運用，一般都要完成對傳感器數據的采集，存儲，和數據的加工以及分析這三項基礎的工作，比如，對于一個駕駛員，希望獲取到達目的地的沿途的路況，為了實現這個目標，就要有大量的交通數據傳感器對幾個可能路線上的車流量與天氣實況進行實時的采集，并存儲到集中的路況處理分析服務器，應用正確的算法，并可以算出大概的到達時間，并迅速把處理的結果通知給駕駛人員。因此，我們可以得出大概的物聯網系統(tǒng)架構設計分為以下三部分：（1）傳感器硬件與連接互聯網的通信網關（負責把傳感器數據采集再通過網關發(fā)送到互聯網服務器）。（2）海量高速的數據儲存分析服務器。（3）特定的用戶設備用以向用戶展示處理結果。

本文以物聯網在智能家居設計中的應用，來介紹物聯網整個一體化的設計流程與實施方法。

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)總設計方案

2.11 系統(tǒng)總設計框圖

智能家居的功能就是能夠通過微處理器將家用電器及各個設備連接到智能網關上，實現數據共享與統(tǒng)一控制。另外還能夠通過一些程序的設計讓智能網關通過對傳感器傳回的數據進行分析自行對家庭設備進行控制，如通過溫度傳感器設置一定的溫度上下限自動打開或關閉電風扇和空調、通過濕度傳感器打開加濕器自動調節(jié)室內的環(huán)境、通過光照傳感器自動打開或關閉窗簾等等，智能網關就像是一個人的大腦只要是用傳感器關聯到的設備都能夠被控制和分析。另外，智能網關會接入到網絡服務器同時將數據和控制信號掛載到網絡上，這樣用戶就能夠通過手機客戶端和網絡客戶端對家居設備進行控制和遠程監(jiān)控。

我們將我們的系統(tǒng)設計分成兩部分一部分是安防控制包括門禁和火宅預警，我們在窗臺和門口架設人體紅外熱釋電傳感器用來防盜，一旦傳感器被觸發(fā)系統(tǒng)將發(fā)送報警信號，同時用戶的手機客戶端也會收到報警信號；火宅預警我們主要采用氣體傳感器，架設在容易發(fā)生火宅的地方如廚房，若發(fā)生煤氣泄漏傳感器會第一時間檢測到，通知用戶及時進行處理。第二部分是家居控制，可分為一般開關跟模擬量開關，一般開關指簡單的打開關閉功能如家里的各個燈、門窗；模擬開關不僅能夠控制開關而且能滿足要求更高的控制如空調的溫度調節(jié)、電視機的選臺等。

2.2 控制器介紹

Ar dui no是一款便捷靈活、方便上手的開源電子開發(fā)平臺，包含硬件（各種型號的Ar dui no板）和軟件（Arduino IDE)。對Ar duino的編程是利用 專門的Ar duino編程語言來實現的。這門語言與j ava相類似，對于初學者來說，極易掌握，運用起來也十分得靈活。Ar duino語言是對 AVRGCC庫的再次封裝，是在wir ing語言的基礎上建立的。不需要太多的單片機基礎、編程基礎，上手十分簡單，初步學習后，就可以快速進行獨立開發(fā)。Ar duino微控制器的有點在于的的可操作性高、上手難度不大能夠很好的與各種傳感器和外部設備連接交互，如溫度傳感氣、濕度傳感器、空氣傳感器和指紋傳感器等都能簡單的搭載到Ar duino上成為智能系統(tǒng)的一部分，更加突出的一個優(yōu)勢是Ar duino能夠很方便地搭建網關開發(fā)物聯網系統(tǒng)。因此，Arduino收到很多智能家居開發(fā)者的青睞，本文也運用Ar duino來完成整個智能家居系統(tǒng)的設計。

2.3 網關設計

網關設計使用W5100以太網卡連接到Ar duino微控制器上搭建微型服務器實現，W5100是一款功能齊全的的單片網絡接口芯片，內部集成有高速的以太網控制器，主要應用于集成度搞、穩(wěn)定性高、性能高和較低成本的嵌入式系統(tǒng)中。W5100 內部集成了全硬件的、且久經市場驗證和用戶認可的 TCP/IP 協(xié)議棧、高速以太網介質傳輸層和物理層。全硬件的TCP/IP協(xié)議棧完美支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE。這些協(xié)議已經在很多領域廣泛應用并且得到了廣泛的認可。W5100內部還集成有16KB的高速存儲器用于數據傳輸。使用W5100完全不需要用戶或程序員去考慮以太網的控制，只需要進行簡單的端口編程就能夠將自己的智能設備接入互聯網。通過網關的設計將Ar duino鏈接到網絡服務器，進行數據的傳感與共享，同時可以接受網絡數據發(fā)回來的控制信號。網關下我們連接了溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器、紅外編碼解碼發(fā)送模塊、人體感應傳感器等傳感器模組，可以采集室內溫度、濕度、有毒氣體含量通過繼電器和紅外發(fā)射模塊對室內的電扇、空調、加濕器等設備進行控制，同時人體感應模塊能夠預警盜賊并通知用戶。

2.4 網絡服務器

現在網絡上有很多免費的物聯網專用服務網站，能夠進行數據的傳輸、處理反饋等功能。這里我們使用了Yeel ink物聯網平臺，Yeel ink平臺具有傳感器管理、數據管理、數據儲存的功能，能夠很方便的完成智能家居遠程數據庫與控制端的功能。只要在網站上申請一個帳號就能夠擁有自己的物聯網專用服務器了，通過添加設備在與自己搭建的物聯網網關相鏈接就能夠完成整個整個智能家居系統(tǒng)的設計，這樣用戶不僅可以控制家居設備同時還能夠遠程讀取數據和實施控制。

2.4.1 網絡端數據顯示

2.5 總論

通過Arduino搭建網關跟網絡服務氣平臺的配合使用，我們設計完成了一個基礎的智能家居平臺系統(tǒng)，雖然只完成了一些基礎的功能但是涵蓋了整個智能家居系統(tǒng)的設計方法，為完成更加復雜的智能家居系統(tǒng)打下了基礎。物聯網是當今社會發(fā)展的大潮流，智能家居又在這一潮流中顯得格外重要，也是經濟發(fā)展和社會進步的必要產物，相信通過技術的不斷創(chuàng)新，物聯網在智能家居領域里面的應用將會越來越廣發(fā)，人們的生活也會變得越來越便捷、越來越智能化。