物 联 网 技 术 基 础 论 文

题目：物联网技术在“智能家居”中的应用

专 业：班 级： 姓 名： 学 号： 201026 指导老师：

二零一三年六月

基于物联网的智能家居系统

摘 要

物联网作为朝阳的产业，被列为国家五大新兴战略性产业之一。物联网是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。智能家居是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设备集成形成智能家居系统的居住环境。

物联网智能家居通过家居智能管理系统的设备来实现家庭安全、舒适、信息交互与通信的能力。本文结合了物联网和智能家居的相关技术，将传感器、控制器等设备通过无线技术连接和采集数据信息的处理，实现了使用传感器采集室内温度，光线等数据，在嵌入式终端中进行信息的读取和处理，做出相应的操作。整个过程涉及到基于ZigBee的无线传感网络和GPRS手机通信模块的应用。该设计分为以下几个部分：一、首先分析课题来源与市场需求，然后对整个系统进行了概述；二、对该系统的框架进行介绍；三、对整个系统的软硬件设计进行详细的介绍。

本论文设计是基于物联网和智能家居相结合的背景下，实现了对家居环境中的光线，温度，烟雾等因素的实时监测，并通过GPRS通信模块和管理系统作出相应的控制，以提升家居环境的安全性、舒适性、便利性。

目 录

1 绪论…………………………………………………………..……1

1.1 物联网智能家居系统概述…….………………………..…..1

1.1.1 物联网智能家居系统研究开发背景..…………..…....1

1.1.2 物联网智能家居系统意义 …………………..………2 2 国内外研究现状……………………………………….…………2

2.1 基于楼宇对讲系统技术的智能家居系统………..…..……2

2.2 基于现场总线技术的家庭自动化系统…………..……..…2

2.3 基于智能手机的智能家居系统…………………..….….…3 3 物联网技术支持………………………………….……….………3

3.1 ZigBee技术 …………………………………….….………..3

1)ZigBee技术概念………………………….………...……..3

2)ZigBee特点….………………………….……….....………3

3) ZigBee技术的优势..…………….……..…….…..………..4

3.2 无线传感器网..………………………….………..………….4

3.3 GPRS通信模块 ………………………….……..…………....5

4 一居室智能家居实现方案…………………….……..…………...5

4.1 功能介绍……………………………….………..…………..6

4.2 拓扑图………………………………….………..…………..6

4.3 产品应用…………………………………….…..…………..6

4.4 产品安装图………………………………….…..…………..7

5 物联网技术发展前景………………………….……..…………..8 6 总结…………………………………….…….…………..……….8 7 参考文献……………………………….…….………..………….8

绪 论

随着人们生活水平的提高和科技的发展，家居智能化已成为一种必然趋势而深入千家万户。家居智能化是利用计算机、通信、网络、电力自动化、信息、结构化布线、无线等技术将所有不同的设备应用和综合功能互连于一体的系统。它以住宅为平台，兼备建筑、网络家电、通信、家电设备自动化、远程医疗、家庭办公、娱乐等功能，集系统、结构、服务、管理为一体的安全、便利、舒适、节能、娱乐、高效、环保的居住环境。

1，物联网智能家居系统概述

1) 物联网智能家居系统研究开发背景

20xx年1月，IBM公司提出了“智慧地球”的理念；20xx年8月，温家宝在中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心考察时，提出了“感知中国”。物联网被预言为继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮，一时间很多人预见到了一场新的技术革命。

现代社会努力创造着舒适的环境，空调的出现让人们得到了舒畅的体验。在使用空调时，人们出现了两种心态，有的人怕浪费电，在家里没人的时候把空调关掉，可是回到家时却不得不面对冷冰冰或热烘烘的情况；也有的人为了舒适一直开着空调，长时间地让空调运转既费电又影响使用寿命。进入新世纪，我国人民的物质文化生活水平不断提高，移动通信的飞速发展给人们的生活注入新鲜血液，丰富了人们的生活。众所周知，越来越多的人拥有自己的手机，而我国移动网络的铺建将使我们更好地在移动网络的世界里遨游，如果能够通过手机来远程控制家里的空调，让人们在到家之前把家里的空调打开，当我们迈进家门时，舒适的温度会使我们的心情更加愉悦。

在互联网已经普及的今天，互联网已经联系起了每一个人，随着各种消费电子的智能化，还有无线传感器的迅速发展，人们想到了是否可以用网络将每一个物体都联系起来，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。这样就形成了一种新的网络，被称为物联网。物联网的核心仍然是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。而从20世纪80年代开始，随着大量采用电子技术的家用电器面世，直到现在，经过了30年的发展，家用电器已经普及，而且具有了很高的智能化。这时人们便开始追寻一种更加智能的家庭管理方式，希望实现安保，防灾，家电一体化控制，这就是智能家居的原型。对于物联网的出现，大大加快了智能家居的发展。在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网将是家居行业乃至更多行业信息化过程中一个比较现实的突破口。一旦物联网大规模普及，无数的物品需要加装更加小巧智能的传感器，用于家居设备的传感器与电子标签及配套的接口装置数量将大大超过目前的手机数量，物联网是下一个超过万亿的行业。

2) 物联网智能家居系统意义

社会经济的发展，信息化程度的不断提高，人们生活节秦的不断加快，使人们对居家环境智能化的程度也提出了更高的要求。当人们离开自已的居住环境时，如何获取家中的环境信息，已成为一种现实需求，基于Internet 与GSM 网成为可选择的发展方向。利用互联网传输信息具有信息量大、直观等优势，但目前实现成本相对较高，阻碍其进入普通家庭。近年来，短消息业务（SMS）作为GSM 的一种增值服务，随着GSM网络覆盖范围的不断扩大，得到了迅速发展，它具有传输速度快，费用低，不占用语音通信通道等优点,

本系统重在研究基于SMS 短信业务，一种操作方便、经济、实用、可扩展性好的智能家居控制系统。

物联网智能家居产品融合自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术于一体，将各种家庭设备(如音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、网络家电等)通过智能家庭网络联网实现自动化，通过宽带和无线网络，可以实现对家庭设备的远程操控。与普通家居相比，智能家居不仅提供舒适宜人且高品位的家庭生活空间，实现更智能的家庭安防系统;还将家居环境由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能。物联网中的无线传感器应用对家庭的智能防灾，灯光控制，以及家电联网都提供了一种很好的解决办法。而且使用GPRS通信模块，可以将家庭中的突发事件信息告知户主，并且进行智能报警。这样就极大降低了家庭意外灾难的损失。

2，国内外研究现状

就当今智能家居市场而言，系统种类主要有基于楼宇对讲系统技术的智能家居系统、基于现场总线技术的家庭自动化系统和基于智能手机的智能家居系统三大类。

2.1 基于楼宇对讲系统技术的智能家居系统

由于楼宇保安对讲系统产业化成熟，并使单纯的楼宇对讲系统向家庭自动化系统过渡，产品基于楼宇对讲系统技术(系统结构和传输系统)，在各户室内分机增添功能终端设备(防盗、防火、照明、家用电器等)，通过与房地产企业之间的合作进行销售。国内有实力的对讲厂家，都致力于智能家居系统应用及推广，如：冠林推出的AH8000数字家居系统。

AH8000系统室内终端是集成可视对讲功能、安防功能、门禁功能、信息功能、多媒体功能、电器控制功能、IP电话功能为一体的网络控制产品;采用最先进的数字通讯技术，对住宅内的照明，火灾，安防，煤气感应，远程抄表，数码家电等器具进行集中控制;同时可通过因特网用电脑，电话，手机对相关设备进行远程控制。该产品已被列为国家康居示范工程选用产品。

2.2 基于现场总线技术的家庭自动化系统

基于现场总线技术的智能家居系统技术含量高、功能强，实施容易，多与工程配套，销售多采用跟装修公司和设计师合作的方式。智能灯光控制系统大都采用总线技术，如ABB、奇胜、索博等。

ABBpriOn系列房间控制解决方案是目前国内集成家用电器设备功能最多的房屋控制解决方案。它将采光、照明、采暖、温度和家电等多种房间控制需求集成到一个控制面板上进行操作。控制面板采用3.5英寸彩色触摸显示屏，可以直观显示多种家用电气设备的工作状态。用户只要在简洁美观的壁挂式面板上通过点击按钮就可以完成各项复杂操作;同时，用户可以通过priOn系列对建筑物内的每一个房间的相关设备进行逐一设定与控制。该方案荣获《时尚家居》“20xx年度最时尚家居用品”大奖。

2.3 基于智能手机的智能家居系统

基于智能手机的智能家居系统属新兴产业技术，利用人们随身携带的智能手机与中央控制器进行会话，并在中央控制器的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对家电的远程控制和家庭内部状况的实时监测。“Android@Home”正是属于此类产品。这类产品的销售模式目前尚不明朗，笔者认为根据消费类电子产品的特点，销售方式应该会以跟装修公司和设计师合作为主。

Google在20xx年5月10日Google I/O大会上喊出了“Android@Home”的概念，还用钨丝灯泡的控制来示范，并预计Android@Home相关的外围会在年底推出。“Android@Home”是把Android可以控制的装置，从原先的智能型手机(后来加了平板)，再扩张到了家电装置，嵌入RFID的CD盒(换片机)，也可以透过Android@Home来管理CD的存放甚至播放，最终实现定时控制家中灯光的开关、洗衣机的控制等。这意味着Google正式宣布向智能家居领域扩张。

3， 物联网技术支持

3.1 ZigBee技术

1) ZigBee技术概念

ZigBee技术译为紫蜂技术，是一个有关组网、安全和应用软件方面的新型传感器网络，被称作IEEE802.15.4 (ZigBee) 技术标准在标准化方面，IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有的标准，高层应用、测试和市场推广等方面的工作将由ZigBee联盟负责。其结构简单、低功耗、低速率、低成本和可靠性高的双向无线网络通信技术，主要适合于自动控制领域， 可以嵌入各种设备中， 同时支持地理定位功能。完整的ZigBee协议套件由高层应用层、 应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。

目前，在无线传输技术种类多样，各有优势。ZigBee作为一种新出现的无线通信技术，以其协议简单、成本低、功耗小、组网容易等特点，在家用系统控制、楼宇自动化、工业监控领域具有广阔的市场空间，本文主要以ZigBee为主要的无线通信，这在家居行业的技术发展和应用方面的研究具有前沿性和实用性。

2) ZigBee特点

无线传感器网络(WSN)由大量的节点根据自组织网络的方式构成，一般节点通过各种方式大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点通过无线自组织传输网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，可以实现对任意地点的信息在任意时间的采集、处理和分析。无线传感器网络结构如图2-2所示(虚线表示无线链路，实线表示有线链路)。

无中心。WSN 没有严格的控制中心，所有节点地位平等，是一个对等式网络。节点可以随时加入或离开网络，任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。

自组织。网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为,节点开机后就可以快速、 自动地组成一个独立的网络。

动态拓扑。WSN 是一个动态的网络，节点可以随处移动；一个节点可能会因为电池能量耗尽或其它故障，退出网络运行，也可能由于工作的需要而被添加到网络中。ZigBee会根据网络的拓扑结构随时发生变化，因此网络应该具有动态拓扑组织功能。

节点数量众多，分布密集。WSN节点数量大、分布范围广。这样的无线传感器网络具备一定的软、硬件健壮性和容错性。

3) ZigBee技术的优势

低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6-24个月，甚至更长。这是ZigBee

的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时。

低成本：通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。

低速率：ZigBee工作在250kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求。

近距离：传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1-3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3-10s、WiFi需要3s。

高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。

高安全：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。

免执照频段：采用直接序列扩频在工业科学医疗2.4GHz(全球) (ISM)频段。

3.2 无线传感器网络

无线传感器网络（Wireless Sensor Network, 简称WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。

随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanism System,简称MEMS)、片上系统（SOC， System on Chip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

很多人都认为，这项技术的重要性可与因特网相媲美：正如因特网使得计算机能够访问各种数字信息而可以不管其保存在什么地方，传感器网络将能扩展人们与现实世界进行远程交互的能力。它甚至被人称为一种全新类型的计算机系统，这就是因为它区别于过去硬件的可到处散布的特点以及集体分析能力。然而从很多方面来说，现在的无线传感器网络就如同远在 1970 年的因特网，那时因特网仅仅连接了不到 200所大学和军事实验室，并且研究者还在试验各种通讯协议和寻址方案。而现在，大多数传感器网络只连接了不到 100个节点，更多的节点以及通讯线路会使其变得十分复杂难缠而无法正常工作。另外一个原因是单个传感器节点的价格目前还并不低廉，而且电池寿命在最好的情况下也只能维持几个月。不过这些问题并不是不可逾越的，一些无线传感器网络的产品已经上市，并且具备引人入胜的功能的新产品也会在几年之内出现。

无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。基于MEMS的微传感技术和

无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为:军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。

3.3 GPRS通信模块

GPRS是通用分组无线服务技术（General Packet Radio Service)的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可以说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同，是以封包（Packet）式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。

GPRS经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不大，但得到的用户数据速率却相当可观。而且，因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便容易。如此，使用者既可联机上网，参加视讯会议等互动传播，而且在同一个视讯网络上（VRN）的使用者，甚至可以无需通过拨号上网，而持续与网络连接。GPRS分组交换的通信方式在分组交换的通信方式中，数据被分成一定长度的包（分组），每个包的前面有一个分组头（其中的地址标志指明该分组发往何处）。数据传送之前并不需要预先分配信道，建立连接。而是在每一个数据包到达时，根据数据报头中的信息（如目的地址），临时寻找一个可用的信道资源将该数据报发送出去。在这种传送方式中，数据的发送和接收方同信道之间没有固定的占用关系，信道资源可以看作是由所有的用户共享使用。GPRS由于数据业务在绝大多数情况下都表现出一种突发性的业务特点，对信道带宽的需求变化较大，因此采用分组方式进行数据传送将能够更好地利用信道资源。例如一个进行WWW浏览的用户，大部分时间处于浏览状态，而真正用于数据传送的时间只占很小比例。这种情况下若采用固定占用信道的方式，将会造成较大的资源浪费。

在系统中，使用串口和GPRS模块进行通信，将我们的数据通过GPRS模块发送到用户手机上。

4，一居室智能家居实现方案

4.1 功能介绍

1）清晨4：30面包机开始准备早餐。清晨6：30，主人还在熟睡中，卫生间取暖设备、热水器开始工作。

2）7点设定的“起床情景”启动，主卧室窗帘缓缓打开，室外柔和的阳光射进房中，提醒主人起床时间到了。当主人起床并洗漱完毕后，香喷喷的面包已经准备好了。

3）早上8:00出门上班，按下“离家模式”，系统启动“离家模式”所有的设备将进入您预先设置的状态：灯光全部关闭、不需待机的设备断电。

4）在公司上班时，当家里老人身体不舒服或者发生突发事情，按动紧急按钮，家里的电话会自动拨通主人的手机，同时拨通其他设定的4个电话，及时了解家中的情况。

5）晚上6:00下班时，在回家的路上，可以通过手机远程登录智能家居系统，指令空调、热水器开始工作。

6）回到家中，启动“回家情景”：窗帘缓缓闭合，室内灯光调节到最舒适的亮度，此时，电视已经打开了，并且调到你最喜欢的频道。厨房的电饭煲已经煮出了香喷喷的米饭。

7）吃饭了，按下“就餐模式”：客厅的灯关闭、餐厅的灯调到合适的亮度，让忙碌了一天的你，享受家的温馨。

8）启动“影院模式”：灯光自动变暗，电视、DVD、音响设备打开，开始欣赏自己喜欢的大片。 9）欣赏完电影，已经22点多了，该睡觉了，按下“晚安情景”：灯光关闭、窗帘全部闭合、夜灯亮起，使您进入甜蜜的梦乡。

10）出差在外，可以通过电脑、手机上网远程登录智能家居系统，通过摄像头查看家里的情况。

4.2 拓扑图

4.4 产品安装图

5， 智能家居发展前景

自从世界上第一幢智能建筑19xx年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛应用。19xx年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家庭智能化系统。智能住宅、小区在国外历经了20世纪80年代初的住宅电子化、80年代中的住宅自动化到90年代美国的“智慧屋”（WISEHOME）、欧洲的“聪明屋”（SMARTHOME）的住宅智能化这样三个阶段。美国、日本、新加坡都有根据这些标准建立的智能住宅和小区的示范工程。

智能家居的前景就像家用电器和手机电脑一样，是一个极具发展潜力的阳光行业，需要一个慢慢兴起的过程。只是目前尚处于产品推广阶段，需要一套完善的市场销售模式；消费者的消费理念至关重要，产品价格相是关键，如果价格降下来，还是可以接受的。随着经济的发展和人们生活质量的提高，智能家居产品会越来越被大众所接受。POLYHOME智能家居产品，是专为普通用户研发的一款智能家居产品，已先进的技术，过硬的产品，百姓的价格在很短的时间就得到了大家的认可。

6，总结

通过GSM网络实现了手机终端与智能家居系统远距离双向通讯，突破了对传统有线距离的约束，达到远距离接收、发送通讯信息，并且具有很高的模块化程序和可扩展性，智能化程度高。 物联网智能家居系

统是嵌入式控制终端系统，ZigBee无线传感网络和GPRS通信。模块的嵌入式智能产品。它很好的改善了家居的环境，它也包含了影音娱乐等功能，满足家庭的娱乐需求。

由于时间和资源有限，这里并没有将自己所有的想法都付诸实践。其实物联网和智能家居都是很大的项目，它们涉及了太多的内容，本论文中所列举系统只是实现了其中的很小一部分功能。而且，由于知识水平所限，对物联网在时能家具中的应用技术支持以及前景等等的认识也仅限于表面的层次，而不能深入认识学习，这还有待于以后继续什么如学习。本人任务物联网在智能家具中的应用是不可替代的，他正在走向一个实用化的阶段。因此研究物联网在智能家居中的很具有实际意义。

参考文献

[1] 刘举平.基于GSM技术的智能家居远程控制器设计[J].微型计算机.2010，13-14

[2] 沈兆军.利用GSM短信业务实现智能家具(M).微计算机信息.2009，35-36

[3] 翟雷,刘盛德,胡咸斌. ZigBee技术及应用[M].北京航空航天大学出版社.2011,54-60

[4]金纯,罗风等编著. zigbee技术基础及案例分析[M]. 国防大学出版社.2009,14-15