基于无线物联网的智能家居系统总体分析与设计 - 图文 

２智能家居系统的总体分析与设计２智能家居系统的总体分析与设计２．１系统的设计原则及需求分析２．１．１系统设计原则近些年在“互联网＋”风潮的推动下，物联网技术和无线通信技术广泛的应用于医疗、安防、农业、交通以及家居生活等领域，智能家居作为物联网生态圈的一个应用产业集中区，具有广阔的发展和应用前景ｇｏ】。智能家居系统的成功推广需要依靠集成度高、智能先进的智能化系统，同时最为重要的是整体系统的设计应具有稳定性、可靠性以及合理性，智能家居系统设计成本、模块兼容性、功能操作便捷性、系统运行安全性以及各种人性化的多个方面的因素共同来决定。因此，设计满足要求的智能家居系统需要遵守相关的设计原则，只有这样才能确保系统能够达到人们的要求，更好的实现智能化管理家居设备，为人１１＇］ｇ；Ｊ造一个舒适便捷的生活环境。为了使智能家居系统能够稳定高效的运行，达到预期的设计目标，在智能家居系统的设计过程中应遵守下面的几条原则：（１）稳定性原则。系统设计过程中最为重要的一条原则就是稳定性，任何硬件的设计和功能的实现都必须在不影响系统能稳定运行的前提下进行。（２）易操作性原则。系统控制家居的多种设备，控制方式和控制过程会有很大的不同，在设计过程中以操作简单，容易上手为目标，完成系统的控制。（３）普适性原则。智能家居网关的设计是面向普通家庭的家居环境，在此基础上进行相关的设计，已求达到符合许多普通家庭的使用要求。，（４）实用性原则。从功能要求和实际家居环境角度出发，考虑家居生活对设备和功能的实际需求，以设计满足舒适、绿色、高效的家居环境为目标，剔除华而不实的功能设计。（５）兼容性和可扩展性。近些年随着智能家居系统快速发展，不同厂家根据自身技术的发展，设计了不同的协议标准应用与智能家居系统，导致智能家居设备不能具有很好的兼容性。所以，在设计智能家居系统时要充分考虑到各个系统之间的兼容性问题，设计能够兼容多种协议标准的控制器。终端设备通讯及功能模块要具有可扩展性和可替换性，当终端设备无法进行功能扩展或是损坏时，可以使用其他设备进行替换，这就要求我们在进行系统设计时考虑到控制器能够具有很好的可扩展性。７万方数据安徽理工大学硕士学位论文（６）可维护性原则。当系统出现故障或是外部运行环境发生变化时，能够做到及时方便的进行维护，保证系统正常稳定运转。２．１．２系统需求分析整个智能家居系统要能够做到实时协调控制家居生活中常用的家居设备，如智能灯光控制、智能门窗控制和家居环境参数的采集等。终端客户端要求操作方便，具有人性化友好界面。智能家居系统的主要涉及功能归纳为如下：（１）智能照明设备控制：智能照明设备的控制可以通过多种方式实现，如移动客户端可以单个开启，也可以实现一键全开。在本地家庭内的用户也可以通过触摸屏显示模块进行相关的控制操作；（２）自动窗帘控制：用户可以通过客户端进行远程自动控制窗帘的开关，根据需求进行控制窗帘开合的大小，以求达到用户适宜的要求；（３）家居环境参数采集：如温度、湿度、有毒气体等环境参数采集；（４）安全检测及报警：可以通过传感器模块与报警器模块，实现对家居环境的安全监测，当检测到有毒有害气体或是烟雾时，实现自我报警处理，及时的通知用户进行处理；（５）支持多客户控制：智能家居系统可以支持多个终端用户的控制请求，并且能协调处理不同终端用户的请求。２．２系统总体设计２．２．１无线组网技术的分析随着物联网技术快速发展，无线通信技术也得到了发展和广泛的应用，无线通信技术中的短距离通信是一个重要的研究方向。在日常的实际应用中，短距离无线通信技术使用更为普遍，系统通常传输小量的突发信号，其特征数据量比较小，要求实时进行信号的传输，面对这样的传输要求，人们通常希望选择具有成本低，信号传输稳定高效以及功耗低的短距离无线通信技术【２１】。目前，在无线通信领域中常用的有蓝牙技术（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）、红外技术（ＩｒＤＡ）、射频识别技术（ＲＦＩＤ）、Ｗｉ．Ｆｉ技术以及ＺｉｇＢｅｅ技术等无线短距离通信技术【２２】。（１）蓝牙技术（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）蓝牙技术（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）最早于１９９９年由索尼爱立信、ＩＢＭ、因特尔等其它业内巨头企业共同创立的，并制定了相应的蓝牙技术标准和规范【２３】。蓝牙传输是一万方数据２智能家居系统的总体分析与设计种比较常见的无线短距离传输技术，主要是通过快跳帧和短包技术实现一对一或者一对多通信，它的工作频率在ＩＳＭ（２．４ＧＨｚ）频段上，其最大的传输速率能够达到１Ｍｂｐｓ。可以应用在多种设备之间进行数据传输，方便简化了移动设备之间的通信，在实际的应用场合蓝牙技术是比较常见的，如在手机、掌上电脑、车载设备以及其他的数码产品中的应用。由于它的简单、快捷、速率快等特点，得到大量用户的支持和使用。在智能家居行业中，采用蓝牙技术进行通讯的不是很常见，由于该技术的通讯距离短，通常在１０米以内，组网灵活性差，网络比较复杂，无法实现中继等劣势，导致蓝牙技术在推广过程中受到很大的限制。（２）红外技术（ＩｒＤＡ）红外技术是一种传输速率比较快的无线传输技术，通过一定波长的红外线进行数据的传输，其最快的传输速率可以达到１６Ｍｂｐｓ。红外线信号与设备间进行无障碍的直线信道通信，两者之间的传输距离在１０米以内。红外传输具有成本低、安全性高以及不受外界其他电磁波干扰等优点。但是由于通信距离短以及无障碍直线传输条件的限制，使得该技术不适合应用在智能家居系统中进行无线通信。（３）射频识别技术（Ｉ江ＩＤ）射频识别技术（ＲＦＩＤ）是一种通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，达到无线自动识别的技术【２４］。电讯号是通过电磁场发射出来，主要作用是将数据信息由一个物体传输给另一个物体，实现两个物体之间的自动识别。随着技术的发展，物体可以通过自身的电磁场提供的能量进行数据的传输，不需要外部电池进行供电提供能量。通常我们将信息存储在标签中，当两者互相接近时就可以进行数据的读取，在实际生活中应用广泛，如学校图书馆门禁卡、食堂的饭卡等场合都是使用该技术，其缺点是容易受到周围电磁场的干扰，很容易被消磁安全性能不是很高。（４）Ｗｉ—Ｆｉ技术（ＷｉｒｅｌｅｓｓＦｉｄｅｌｉｔｙ）Ｗｉ．Ｆｉ（ＷｉｒｅｌｅｓｓＦｉｄｅｌｉｔｙ）技术是在ＩＥＥＥ８０２．１１的基础上发展的无线通信协议，它定义了物理层和ＭＡＣ层，并且以ＴＣＰ／ＩＰ协议作为网络层的协议【２５】。ＷｉＦｉ技术拥有ＩＥＥＥ８０２．１ｌａ、ＩＥＥＥ８０２．１ｌｂ、ＩＥＥＥ８０２．１ｌｇ、ＩＥＥＥ８０２．１１ａｃ、ＩＥＥＥ８０２．１１ｎ等多种版本的协议，目前使用的协议标准主要是ＩＥＥＥ８０２．１１ａ和ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ协议标准，ＩＥＥＥ８０２．１ｌａ协议标准工作在５．ＯＧＨＺ频段上口６】，最高传输速率达到５４Ｍｂｐｓ。ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ协议工作在２．４ＧＨＺ频段上，最大的传输速率可达到１１Ｍｂｐｓ，通信半径达到１００米左右［２７］。支持点对多点的通信方式，可以采用中间节点进行协调的方式传输数据，当周围有干扰时可以通过带宽的调节，保障数据通信的稳定性和万方数据安徽理工大学硕士学位论文可靠性。该技术具有灵活的组网方式，数据传输速率快，覆盖范围比较广等优点，其缺点是协议栈的开发较为复杂，还有就是该技术功耗比较高。ＷｉＦｉ技术支持ＴＫＩＰ加密模式和ＡＥＳ加密模式，能够达到在网络完全方面要求，使得ＷｉＦｉ技术广泛的应用在日常生活当中。（５）ＺｉｇＢｅｅ技术ＺｉｇＢｅｅ技术是基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准的低功耗局域网络协议，具有近距离、低复杂度、低功耗、低速率及低成本等优点［２８１。ＺｉｇＢｅｅ技术拥有２．４ＧＨｚ、９１５ＭＨｚ和８６８ＭＨｚ三个工作频段，在每个频段上的最高传输速率分别为２５０ｋｂｉｔ／ｓ、４０ｋｂｉｔ／ｓ和２０ｋｂｉｔ／ｓ。数据的传输距离范围在７５米左右，开用者通过提高ＺｉｇＢｅｅ模块的功率方式，可以提高一定限度通信的距离。由于ＺｉｇＢｅｅ技术采用的组网方式简单能够自我管理，而且ＺｉｇＢｅｅ网络功耗低，支持的网络节点数目多，可以通过路由节点对网络传输的范围进行扩展，提高ＺｉｇＢｅｅ无线网络的深度，．构建一个信号稳点的无线局域网络，ＺｉｇＢｅｅ技术很适合应用于组建对数据传输速率要求不高的无线网络【２９］。通过对上述几种无线通信技术的分析与比较，再结合对智能家居的研究与分析，考虑到智能家居系统的网络传输数据量小，对带宽要求低，网络实时性好，延迟要短，要求接入方便，系统续航能力久、可扩展性强并且后期维护简单等特博３０ｌ。论文采用ＺｉｇＢｅｅ技术组建智能家居内部的网络。２．２．２家居网络拓扑结构在ＺｉｇＢｅｅ的无线网络中由ＺｉｇＢｅｅ协议规范定义了三种不同类型的无线通信设备和三种网络拓扑结构。其中三种不同类型的设备有：协调器、路由器和终端节点，它们的功能是ＺｉｇＢｅｅ协调器负责网络的建立和维护，路由器负责数据路由的转发，终端节点设备负责数据的采集。三种网络拓扑结构为：星型结构、网状结构合树形结构。如图１所示为三种网络拓扑结构示意图。１０万方数据２智能家居系统的总体分析与设计星型拓扑结构树型拓扑结构网状拓扑结构●协调器０全功能设备。简功能设备图１三种网络的拓扑结构示意图Ｆｉｇ．ＩＳｋｅｔｃｈｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｏｆｎｅｔｗｏｒｋｔｏｐｏｌｏｇｙ在这三种拓扑结构中，星形结构最为简单，非常方便管理。只要在射频通信范围内终端节点设备都可以与协调器进行通信，此时不需要路由器设备进行数据路由的转发１３１】。网状拓扑结构中由协调器、路由节点和终端节点三个种类的通信设备，在网络中的节点通信路径不是唯一的【３：】，因为网络中多个路由节点可以提供不同的路由选择，在通信范围内除了终端节点外，网络中的任何两个节点都可以进行通信。网状结构比较复杂，需要对多个节点进行信息的维护。树形拓扑结构可以看成是在多个星型结构的组合，在通信上只有一条链路进行数据传输，若是有节点出现故障可能导致其他通信的中断。相比与网状拓扑结构，不需要维护太多的节点，但对于适应多变的动态环境能力就不如网状拓扑结构。论文中采用ＺｉｇＢｅｅ技术来组建家庭内部的无线网络，因为不同的网络结构会给网络的传输速度和实现产生影响，通过前面对ＺｉｇＢｅｅ网络中的三种网络拓扑结构的比较，以及结合家居环境的实际需要，论文中采用星型拓扑结构。２．２．３智能家居系统的整体架构根据２．１介绍的关于智能家居系统的设计原则以及需求的分析，在结合分析比较现有的几种无线通信技术，在此基础上运用嵌入式、ＺｉｇＢｅｅ、Ｗｉ。Ｆｉ等技术进行智能家居系统的设计。整个智能家居系统按物联网体系架构可以分为三层分别为：应用服务层、网络通信层以及感知控制层。如图２所示为智能家居系统的整体结构图。万方数据