時間：2023-03-07 14:59:05
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關鍵詞 樹莓派 ZigBee 智能家居
中圖分類號：TN873 文獻標識碼：A
智能家居作為一個新興產業，正于一個成長發展期，技術的發展更新正是物聯網智能家居發展方向。當前，智能家居系統尚未有統一的行業標準，其控制方式也形式多樣，但有線連接控制的方式居多，與無線相比，安裝工作和使用維護的方便性都要遜一籌。隨著近兩年Wi-Fi、藍牙和ZigBee等技術突飛猛進地發展和廣泛應用，無線技術和設備已帶給人們諸多便利，悄然改變著人們傳統的生活習慣。本方案在現有智能家居技術的背景下，研究無線智能家居的控制。
1 主要開發設備及環境
1.1 系統控制設備
本方案以當前迅速興起的樹莓派（Raspberry Pi）作為系統控制設備。它是一款基于Linux系統的、只有一張信用卡大小的卡片式計算機，內存為256M、CPU為ARM1176JZF-S，具有多媒體處理能力，具有體積小、價格低廉、功能強大的特點。通過通用端口（GPIO）來控制外連設備，簡單的說就是給其26個針腳賦值高低電平，以達到對外部設備的控制。
1.2 無線通信設備
隨著物聯網的發展，衍生出來的無線連接方式多種多樣，紅外、藍牙、Wi-Fi和ZigBee等都已成為開發人員研究方向。與藍牙等相比，ZigBee在家庭自動化控制中，在功耗、距離和組網容量、時延短等方面稍有優勢，而Wi-Fi則在連接互聯網、智能手機和個人電腦方面表現更好，因此本方案設計使用了兩種無線通信技術：Wi-Fi和ZigBee。
2 系統設計
2.1 總體設計目標
圖1：系統架構圖
本方案的目標是通過樹莓派作為服務控制器，與ZigBee（協調器）通過串行端口直連通信。樹莓派通過端口通信控制ZigBee協調器向ZigBee路由器發送控制命令，然后由與設備直連的ZigBee路由器控制設備的關斷與開啟。另一端，由樹莓派通過Wi-Fi網卡與家庭路由器進行無線連接，從而使樹莓派前端可以接入網絡。一旦設備接入網絡，手機客戶端可以通過APP聯網接入樹莓派控制系統，普通PC電腦也可以憑身份信息通過登錄客戶端頁面進行控制。其系統架構如圖1所示。
2.2 子模塊設計
本設計方案以智能家居系統的常用功能的子模塊――智能燈光控制、智能門禁、智能窗簾控制進行設計驗證，下面以窗簾控制子模塊為例進行詳細的設計介紹。
2.2.1 窗簾控制子模塊的硬件設計
窗簾采用兩個減速馬達作為動力裝置，兩條傳動線作為傳動裝置，兩個帶軸承的支柱作為轉子固定。馬達型號為N20減速長軸電機馬達，軸長26毫米，軸徑為3毫米，減速比為1：298，轉速為100RPM，工作電壓為12V，第三方供電，引入繼電器。但為了實現電平控制正反轉，采用兩個繼電器。
首先將N20馬達的異側端分別相連，然后將繼電器1和繼電器2的其余兩個端口按圖3與第三方電源（9V/1A）電源相連。VCC接5V控制電壓，GND接地，IN1、IN2為控制端口。兩個繼電器的常閉端口分別為J1和GND、J2和GND，當控制端口IN1、IN2為低電平時，J1、J2和GND相連，減速電機不轉動。當IN1為高電平IN2為低電平時，繼電器1接通VCC和J1，左側減速電機順時針轉，右側減速電機逆時針轉，窗簾呈開啟狀態；當IN2為高電平IN1為低電平時，繼電器2接通VCC和J2，左側減速電機逆時針轉，右側減速電機順時針轉，窗簾呈關閉狀態。
2.2.2 窗簾控制子模塊的驅動設計
窗簾設計的目標是要實現開閉實時控制。控制開關設計為三種狀態：開、關、停。當按 “開”時即接通電源，左電機順時針轉動，右側電機逆時針轉動，從而窗簾內傳動帶拖著窗簾滑輪打開窗簾；反之，當按“關”鍵時，兩電機轉向相反，關閉窗簾；按“停”鍵，則供電終止，窗簾停在當前位置。
同時，為了避免窗簾全開或全閉時電機繼續轉動，系統還設計自保護功能，即根據電機角速度 、半徑R、窗簾最大開合距離S、窗簾當前開合距離S′（0≤ S′≤S），可以計算最大轉動時間T和已經轉動t，T為門限值，當t=T時則自動停止。其計算公式和系統工作流程圖如公式（1）和圖2所示。
最大轉動時間： （下轉第163頁）（上接第160頁）
（1）
圖2：窗簾控制流程圖
2.2.3 系統總體設計
總體接線示意圖如圖3所示。其中包括了樹莓派、ZigBee協調器、ZigBee路由器、繼電器模塊、調光模塊等。樹莓派RX端和ZigBee CC2530芯片的TX端相連，TX端和ZigBee的RX端相連。樹莓派通過串口通信方式控制作為協調器的ZigBee（C）向作為路由器的ZigBee（R）發送控制命令，從而ZigBee（R）可以通過它的P00、P04、P05、P06、P07口分別控制電燈、電磁鎖、窗簾的繼電器工作，進而控制各種設備的狀態。
3 實驗情況及結論
實驗測試時，先通過樹莓派終端將系統初始化，建立好服務器控制端，通過ZigBee組網連接好子模塊設備，通過Wi-Fi連接家庭局域網，然后分別通過PC機和手機APP訪問控制，實驗驗證，本設計方案可以順暢運行。
本方案集智能家居控制、安全環境監測于一身，是一個方便、舒適、安全的無線智能系統。此外，當下智能家居系統的設計成品還相對較少，成本高，普及率還比較低，本方案設計采用樹莓派作為控制服務器，附加一些繼電器控制設備開斷，也很好地降低了成本預算，而且系統設計了電腦端上位機和手機端軟件，更加貼合當下的時尚控制理念。
圖3：系統總體接線示意圖
當前，隨著信息化時代的到來與群眾生活水平的不斷提高，實現智能化的家居生活將是今后的必然趨勢。物聯網不僅涵蓋了互聯網整體功能，而且其物理實體與物理實體間能良好通信；并把物理實體和虛擬網絡相連，讓用戶不受空間限制的對物理實體進行控制。筆者根據自身工作經驗，首先對物聯網智能家居安防系統及其特點進行了分析，其次分析研究了物聯網智能家居安防系統的系統構建和工作原理。
【關鍵詞】物聯網 智能家居 安防系統 系統構建 設計
家居安防系統即利用計算機、無線通信和電子等先進的通信和控制技術，通過網絡化的綜合管理，實現對家居生活以及家庭安防的緊密結合的系統，它使得家庭工作和生活更輕松和安全。智能家居主要將住宅作為平臺，通過自動控制技術、網絡通信技術、 音視頻技術、綜合布線技術將家居生活有關的設施集成，構建智能化的住宅設施管理系統，以保證家居生活的安全性、舒適性、藝術性，達到環保節能的目的。物聯網是一個基于互聯網、傳統電信網等信息承載體，讓所有能夠被獨立尋址的普通物理對象實現互聯互通的網絡。通常情況下，物聯網為無線網，由于每個人周圍的設備可以達到一千至五千個，因此物聯網中大概包含500兆至1000兆個物體，通過物聯網，所有人都能夠應用電子標簽將真實的物體上網聯結，在物聯網上獲取它們的具置。
1 物聯網智能家居安防系統及其特點
隨著物聯網概念的涌現，使得用戶的認知程度得到提高，技術越來越完善成熟，有效促進了智能家居系統的應用。智能家居系統將提高家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境作為主要目標，遵循智能化、人性化、高性價比的原則，利用先進的物聯網進行遠程控制；通過WIFI網絡及3G網絡控制。
1.1 系統
智能家居屬于物聯網的一部分，物聯網智能家居系統主要是利用不同的信息傳感設備，對信息進行準確的識別、判斷、傳遞、接收、控制，通過互聯網技術把系統綜合連接家庭內使用的諸多家用電器、安全設備，以構建一個涵蓋家庭通信、安全防護、設備控制等優勢作用在內的一體化控制系統。
1.2 特點
物聯網智能家居系統工具有四方面的特點：第一，實時性特點；能對家庭中所有設備的運行情況進行實時有效控制。第二，及時性特點；對于潛在的事件問題，物聯網智能家居系統能及時有效的發現并予以處理，防止損失的不斷蔓延。第三，無地域性特點；只要擁有物聯網智能家居系統的管理者權限，任何時間任何地點中都能夠利用互聯網進入系統實施有效管理。第四，靈敏性特點；在所處環境或者身體的變化下使得人的視覺、聽覺、觸覺一定程度上發生著改變，進而影響人的靈敏性，由于傳感器主要是極為精密、集成的電路而制成的，對其靈敏性會實施嚴格的檢測，不會有人類這般的生命形態，所以可以獲取準確、靈敏的檢測結果。
2 物聯網智能家居系統的安防系統構建和工作原理
2.1 四層體系結構的構建
家庭網關是嵌入式智能家居系統中的唯一接口，主要在家庭網關中處理、存儲、轉發家庭內所有設備信息，所以各家庭中均存在一個家庭網關，同時把整體全部集中于家庭網關中，如果需新添系統功能，那么就要為所有家庭實施相應的更改，對系統的擴展造成了一定的影響。所以圍繞嵌入式智能家居系統，本文所論述的系統通過科學合理的方式有機綜合了無線傳感網、物聯網技術、中間件技術、WIFI、3G網絡，以確保智能家居系統具有較高的控制功能，優化整合信息，促進系統有效擴展，防止出現信息孤島現象，全面融合各功能信息，從而實現智能化小區。在系統功能基礎上而言，智能家居系統共涵蓋了四層體系結構，見圖1（智能家居的系統體系架構）。
感知層；實際會利用光敏傳感器、氣敏傳感器、聲敏傳感器、化學傳感器、攝像頭等諸多的傳感設備與監控設備對外界的信號、物理條件如光、熱、濕度進行系統探測與獲取，同時加強外部環境的監控，并把探取到的信息輸送到中心控制平臺中，以做好設備的管控工作。
中心控制平臺；中心控制平臺的作用是系統功能實現的關鍵環節，對設備進行嚴格有效的管控，涵蓋中央控制器與模擬啟動器，并且所有用戶均存在一個獨特的中心控制平臺，這樣能夠及時的屏蔽所有器件的異構性，有助于應用程序功能的實現。首先，通過中央控制器對由感知層傳遞的信息予以接收，再結合實際情況利用中央控制器發出控制信息命令某模擬啟動器的執行方式，最后通過和此模擬器相連的物體實現相應的動作，并且針對緊急事件還制定了自動報警功能。當傳感器利用3G或者WIFI技術將信息傳輸至中央控制器后，以對模塊的準確細致判斷來判斷突發事件的嚴重程度，對于比較嚴重的應立即發出警報、將此情況告知給用戶，并利用模擬啟動器啟動應急方案，對于不太嚴重的，由模擬啟動器自行進行處理。此外，中央控制器把所有信息均放到用戶的數據庫中予以儲存，以為用戶日后查閱提供便捷性。用戶還可利用應用程序給所有家電輸送命令，在中心控制平臺上實際執行。
中間件層；中間件層對于智能化小區的實現起到了關鍵性作用，具體涵蓋了服務器、大型數據庫等各項設備。通過大型的服務器與數據庫對所有家庭的信息進行匯總，各家庭均有著自己的存儲空間，采用用戶登錄的方式來管理。其中，數據庫內包含了用戶與屬于該用戶的完整信息，同時兩個用戶間的電器設備彼此間不會出現干擾情況，實施動態添加，從而促進個性化享受。
應用層；應用層屬于和用戶間直接進行交互的圖形用戶界面接口（應用程序），主要提供便捷、個性化的服務，用戶可采用軟件或者Web方式進行登錄，對所有設備進行操作并增添或刪除服務，確保良好的人機交互，同時屏蔽下層通信。應用程序中包括防盜安全管理模塊、自動報警模塊、家居物品管理模塊等各類基礎構件，促進所有功能的實現，并預留相應的接口為今后中功能模塊的添加、更新、刪除提供服務，同時和服務器、數據庫相連，為所有用戶提供特有的空間，進行個性化選擇與個性化設置，這樣不僅促進了用戶的獨立性，而且還使得系統呈現出了整體性。
2.2 設置環境安全級別
設置危險與安全兩個級別的安全控制信息；把用戶認為是危險級別范疇中的事件置于中央控制器中進行存儲，并通過二進制數1進行表示，屬于安全級別范疇的用0進行表示，利用中央控制器的安全級別對模塊進行判斷，以獲悉有沒有必要報警。例如：當房屋中發生煙霧情況時判斷其出現了火災，屬于危險級別，對于傳感器傳送房中的溫度，中央控制器利用對功能模塊的判斷來獲悉是否需要將報警裝置啟動和告知用戶，同時由模擬啟動器開啟水龍頭以作為應急方案。
3 智能家居安防系統的工作原理
如果設計好了應用程序和完成了所有物理設施單位構建與連接，那么享有權利的用戶可利用應用程序或者Web登錄智能家居系統，在圖形化界面上發出具體執行的命令，由中央控制器發出控制指令，模擬啟動器對家庭內各設備運行情況進行控制。如果用戶未給出操作命令，那么傳感器在感應外界環境情況時，就會利用3G、WIFI、無線傳感網將信息送至中央控制器中，然后中央控制器對環境的安全級別進行準確的判斷，如果在危險級別范疇，應及時的發出控制信息、報警和將此情況告知給用戶，如果在安全級別范疇中，只要高于設定范圍，中央控制器就會發出控制指令，模擬啟動器對各項指令予以執行。
4 結論
隨著現代社會的快速發展，人們的生活節奏越來越快，對生活質量有了越來越高的要求，特別對于發展進程快的大城市，人們開始注重時間的合理有效利用。為了實現人們在生活工作環境方面提出的要求，利用設計四層結構模型構建系統綜合生活享受與安全監控的有著較高人機交互功能、家居控制功能完善及能夠有效擴展的智能家居系統。物聯網智能家居系統不僅為人們提供了舒適的生活環境，還很好的保障了人們的生命財產安全，使得人們擁有了更加完美的生活空間，所以今后中的智能家居系統不會只局限于家庭中，其將廣泛的應用到城市各區域，在人們生活工作中發揮至關重要的功能作用。
參考文獻
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[4侯立功.基于物聯網技術的智能家居系統構想[J].數字通信，2011（06）.
作者簡介
張磊（1979-），男，山西省太原市人。現為山西通威感知消防科技有限公司工程師。系太原理工大學機械工程學院2012年級碩士研究生在讀。
項目名稱：浙江東陽西山花園小區某別墅
完成時間：2011年
功能設計：全宅智能燈光控制，空調等電器遠程控制，電動窗簾門遙控控制，中央背景音樂系統，高清視頻共享系統，家庭安防報警系統，網絡視頻監控系統，可視對講門禁管理系統。
綜述：浙江東陽西山花園整體式智能家居系統，較完善地實現家庭中智能燈光，電器智能控制，電動窗簾門控制，背景音樂系統，視頻共享系統，可視對講系統，門禁指紋系統等智能控制系統的整體融合控制，可以自由實現各個智能家居子系統之間的完美融合與功能聯動，可以通過智能遙控器、墻面液晶智能觸摸面板，智能液晶觸摸屏、平板電腦、智能手機等多種人機交互界面實現對以上各子系統的統一控制與整體管理。
上海棕櫚泉別墅智能家居系統解決方案
項目名稱：棕櫚泉別墅項目
完成時間：2012年
功能設計：家庭影院系統、智能背景音樂系統、智能燈光控制系統、集團電話系統、數字電視系統、無線網絡、手機信號、紅外報警、遠程監控、滅蚊系統、KTV點歌、高清共享、電動窗簾、衛星電視等。
綜述：棕櫚泉花園別墅為龍東路一線別墅，業主向往著和比爾·蓋茨一樣的奢華智能化生活。根據業主需求，設計集專業家庭影院/KTV、智能控制、安全舒適、娛樂體驗于一體，從聲學，美學以及智能家居控制系統三方面來打造一個極具現代科技式的影院娛樂兼安防報警于一體的豪華別墅。
贛州云山綠水苑智能家居系統設計方案
項目名稱：贛州云山綠水苑
完成時間：2011年
功能設計：智能門鎖聯動、視頻監視、安防報警、門禁、可視對講、廚房對講電視、燈光控制、家電控制、背景音樂控制、電動窗簾控制、環境監測（亮度、溫濕度、CO2濃度）、集中控制和網絡遠程控制、多平臺控制、各系統之間聯動、信息服務、數碼相冊。
綜述：贛州云山綠水苑智能家居系統設計以住宅為平臺，利用綜合布線技術、電腦技術、視頻技術、數碼通訊技術及信息網絡技術、通信及控制技術管理家中設備，將家中的各種設備通過家庭網絡連接到一起，將讓用戶有更方便的手段來管理家庭設備；另一方面，智能家居內的各種設備相互間可以通訊，不需要用戶指揮也能根據不同的狀態互動運行。從而給業主創造一個高效、舒適、優雅、安全、便利、環保的居住環境，將冰冷的物業管理變為人性化的管理，讓小區管理進入一個廣博的空間。
寧波綠城桂花園智能家居系統案例解析
項目名稱：寧波綠城桂花園
完成時間：2012年2月
功能設計：中央空調、地暖、水系統、智能家居系統。
綜述：本項目戶型為三室一廳戶型，面積200平米，裝修總額180萬。其中智能化22萬元，本案采用Nico尼科智能家居系統，采用lonworks總線技術，穩定性強。智能化系統包含中央空調、地暖、水系統、智能家居四大系統。通過智能化整合，可實現如下功能：
智能燈光與窗簾系統控制、智能背景音樂系統控制、智能溫控系統控制及智能終端控制。
老房改造：打造豪宅級智能家居公寓房
項目名稱：上海某小區老房
完成時間：2012年
功能設計：智能家居系統升級改造
綜述：此次老式公寓房智能家居系統改造采用智能家居控制系統為核心，實現了燈光智能控制，電器（電視機、投影儀、高清機頂盒、N3高清播放器等）電源智能控制與紅外聯動控制，空調等暖通設備的紅外聯動及遠程控制，電動窗簾、電動投影幕、電動遮陽、電動門窗控制，中央背景音樂控制，家庭安防報警，AV視頻共享，網絡視頻監控，全宅控數字可視對講，智能門鎖控制，花園自動澆灌系統，自動防蚊噴香系統，智能家庭影院系統，智能家庭卡拉OK系統等14大智能家居控制系統功能。
花園別墅豪宅智能家居設計方案
項目名稱：花園別墅
完成時間：2012年
功能設計：Nico LonWorks智能家居系統
綜述：本項目采用全進口的Nico LonWorks智能家居系統，Nico LonWorks智能家居系統將傳統的面板開關、窗簾、插座等電器智能化，并有效地實現了對燈光、窗簾、暖通空調、視聽設備、安防、監控系統的智能控制，達到安全、節能、人性化的效果，并能在今后的使用中方便地根據用戶的需求進行變更，成為真正靈活智能控制系統。
西安中海鉑宮的比爾·蓋茨家
項目名稱：西安中海鉑宮別墅
完成時間：2012年
功能設計：四區中央家庭背景音樂系統（客廳、餐廳、三層主臥、三層主衛）、7.1聲道私人影院、私人影院的聲學設計與裝修、戶外四通道視頻監控、全宅安防報警、全宅智能化系統集成、中央空調智能化集成、中央家庭背景音樂的智能化集成、中央新風的智能化集成、安防報警的智能化集成、法國尚飛電動窗簾系統。
綜述：項目采用Contro14的整體解決方案集成了燈光、背景音樂、家電控制、中央空調、中央新風、安防監控、電動窗簾等子系統，完美應用于別墅負一層影音室、車庫：中庭花園噴泉、一層客廳、餐廳、花園；二層兒童房及客房；三層主臥、主衛、主人書房套間等區域，分別采用了美國Contro14智能控制主機、ZigBee無線調光器、無線開關及場景面板：泊聲A66中央家庭背景音樂系統：美國霍尼韋爾安防監控系統；英國美聲HiFi私人影院等。利用科技感十足，操作便捷的Contro14平臺，將智能家居各子系統完美整合集成。
城投瀚城別墅智能控制解決方案
項目名稱：城投瀚城獨棟別墅
完成時間：2012年
功能設計：燈光控制系統、電動窗簾系統、背景音樂系統、家庭安防系統、視頻監控系統、可視對講系統、溫度控制系統、家電控制系統、遠程控制系統、影院控制系統。
綜述：城投瀚城位于武漢雄楚大道南湖北岸（名都花園旁），囊括有獨棟、雙拼、聯排院墅，一梯一戶電梯直入式空中大宅及一梯兩戶南北通透板式高尚公寓等。本次智能家居控制系統通過實現對安防、燈光、電器、電動窗簾、影音等設備控制，創造一個方便、智能、時尚、溫馨、愜意的居住環境。本項目為此設計了智能中控系統，可以控制家居燈光、電器、空調等設備。
南亞之門智能家居樣板房設計方案
項目名稱：南亞之門
完成時間：2012年
功能設計：數字樓宇對講系統（可視對講、安防監控）：指紋鎖分戶門禁系統：智能家居系統（照明控制、背景音樂、視頻監控）。
綜述：本項目“南亞之門”重新定義中央豪宅，引入智慧社區智能家居功能，提升住宅品質。高333米83層的南亞之門中央塔樓，集鉑金五星級酒店、公寓式酒店、5A級寫字樓、商品質住宅、城市核心商業、休閑娛樂為一體。本項目樣板間智能化系統設計有：數字樓宇對講系統（可視對講、安防監控）：指紋鎖分戶門禁系統；智能家居系統（照明控制、背景音樂、視頻監控）。
錦繡山河獨棟別墅智能家居系統綜合應用方案
項目名稱：錦園7#獨棟別墅
完成時間：2011年
功能設計：智能家居系統
綜述：錦園7#別墅作為錦繡山河獨棟別墅的經典之作，地產開發商把該別墅作為樣板房供購房者參觀，將智能家居作為別墅標準配置的定位之一，給客人提供智能生活的親身體驗。KOTI根據用戶的喜好和日常生活習慣，在客廳、地下影院、臥室結合實際設備配置多個情景模式，同時設計出集中控制、圖形化操作、一鍵式場景模式控制系統：電影模式、會客模式、音樂模式、游戲模式、電視模式、K歌模式等，一應俱全，所有的設備都掌握在手上的平板電腦中。
南京紫金別墅智能家居系統設計方案
項目名稱：紫金別墅
完成時間：2012年
功能設計：智能控制、電動門窗、安防報警、視頻監控、背景音樂、影視集成、家庭影院以及暖通系統控制與集成。
綜述：紫金豪宅位于南京紫金山麓，別墅建筑面積約2000多平方。業主對生活品質非常講究，提出無論多少系統，墻面上只允許存在一個面板，或者同款式的多個面板，以保障墻面的美觀，產品也以國際頂級智能家居品牌為首要選擇，最終選定ABB的i-bus prion面板，將燈光、電動窗簾、中央空調、地暖、背景音樂集成一個控制面板。業主通過安裝在門廳處的觸摸屏、客廳餐廳臥室處的prion智能面板以及遙控器控制家庭燈光、空調、窗簾、地暖，一鍵控制家庭影院。
榮和大地三層復式豪宅智能家居解決方案
項目名稱：榮和大地三層復式豪宅
完成時間：2012年12月
Research on Smart Household System Based on Zigbee and GSM Technology
邊洪寧 BIAN Hong-ning；王紅 WANG Hong；張紅霞 ZHANG Hong-xia；張靜 ZHANG Jing
（山東協和學院，濟南 250107）
（Shandong Xiehe University，Ji′nan 250107，China）
摘要：智能家居系統是智能家居控制技術和物聯網技術完美結合的產物。本文在系統整體設計方案、最小系統設計、ZigBee無線自動組網技術、GSM網絡遠程監控方式、系統拓撲結構、模塊的選擇及系統應用產品作了闡述。該系統能滿足現代智能家居的要求。
Abstract: The smart household system if the product of perfect combination of smart household control and Internet of things technology. This article expounds the system overall design scheme, minimum system design, ZigBee automatic wireless network technology, GSM network remote monitor and control mode, of system topology structure, module selection and system application products. The system can meet the requirements of the modern smart household.
關鍵詞 ：智能家居；ZigBee；自動組網；GSM
Key words: intelligent household；ZigBee；automatic network；GSM
中圖分類號：TP273+.5文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）20-0151-02
0引言
隨著網絡技術和通信技術的不斷發展，以及人們對生活要求的不斷提高，實現家庭信息化、網絡化是當今智能家居系統發展的新趨勢。智能家居系統指的是在一個家居中建立一個通信網絡，將家居中各種單元互相連接起來，實現對所有網絡上的家電設備進行遠程控制和家居環境參數的監控。
目前，大多數家庭的控制網絡采用的都是有線連接，雖然有線連接方式具有穩定可靠，高速率等諸多優點，但同時具有可變性及靈活性不夠，維護和升級成本高等缺點。一小部分家庭采用小范圍的無線網絡，但僅僅局限于zigbee技術，應用的靈活性遠遠達不到人們的生活要求。本文將zigbee技術與GSM技術結合起來，利用技術穩定成熟的GSM通信技術實現了智能家居系統的遠程無線控制，提升了智能家居系統的應用空間，讓人們的生活實現真正的無限。
1系統整體設計方案
基于Zigbee和以太網的智能家居系統由監控節點、網關節點和遠程監控端組成，監控節點通過Zigbee技術與網關節點連接，網關節點通過以太網連接路由器，遠程監控端通過因特網對智能家居系統進行監控。其中監控節點又分為燈光音樂控制節點和溫濕度監測節點。網關節點由最小系統、Zigbee協調器、以太網控制模塊和視頻監控模塊組成。最小系統由控制芯片和flash存儲器組成。
整個系統由遠程控制端控制，用戶通過操作PC機上的監控界面實現對系統的監控，包括燈光音樂、溫濕度監測，系統框圖如圖1所示。
2最小系統設計
Zigbee模塊、以太網控制模塊分別通過同步串行口接口、串行外設接口與最小系統通訊，網關節點的最小系統由處理器、存儲器、電源模塊、通用異步收發傳輸器和復位電路組成，網關節點最小系統結構如圖2所示。
3Zigbee無線自動組網技術
系統以Zigbee無線的方式，通過摸屏主機，把智能開關、智能插座、紅外-射頻轉發器、情景面板、煙霧報警器、攝像頭等智能家居系統所包含的設備連接成一個完全雙向的網絡。網絡由于符合Zigbee協議標準，繼承了Zigbee網絡可靠性高、安全性強、響應快速、組網自動化、自動診斷和恢復系統故障等先天性的優勢。
ZigBee是采用碰撞避免機制[1]，每個發送的控制命令或者傳輸的數據都由接收方確認收到，并回復一個確認的信息。若沒有得到確認訊息的回復就表示發生了碰撞，將再次傳送，這樣系統信息的傳輸變得非常可靠。符合Zigbee標準的智能家居系統受到干擾的情況下減少控制失靈的可能性，系統可靠性強。
一個ZigBee的網絡最多可以包括65536個網絡設備節點。這些網絡節點可以自動組建成一個網狀（Mesh）網絡，并且新添加的節點也會自動加入到網絡中。系統實現了系統的自動組網，而無需任何的“對碼”。而且，由于系統是一個網狀（Mesh）網絡，也就是系統的插座等設備都可以作為路由來起到數據和命令傳輸中繼的作用，系統自動、動態選擇通訊路線來傳輸數據和命令。即使某一個設備出現故障，系統會自動識別故障設備并重新選擇通訊的線路，保證整個系統的通訊正常。
ZigBee提供了數據完整性檢查功能，阻止攻擊者對數據進行修改；提供認證功能，阻止攻擊者修改、模仿Zigbee設備；采用128bits AES加密算法，防止偵聽數據。
4GSM網絡遠程監控方式
ZigBee網絡范圍僅限于范圍比較小的區域[2]，因此ZigBee網絡必須與其他網絡連接實現遠程監控。遠程監控的方式包括GSM網絡、GPRS和Interner網絡三種。本系統采用GSM網絡作為遠程通信監控方式，簡答易行，可靠性好，穩定性強。
5系統拓撲結構
系統拓撲圖如圖3所示。
6模塊的選擇
6.1 Zigbee通訊模塊
選用集成的Zigbee模塊自行設計。開發周期短,不需要消化模塊的協議找,通過AT指令或API即可實現模塊的應用開發。
6.2以太網控制模塊[3]
本系統選用以太網接口芯片W5300,這款接口芯片可以支持SPI接口或者并行接口;硬件集成TCP/IP協議,同時也支持軟件TCP/IP協議;芯片可以額外連接PHY芯片,滿足物理層的特殊要求。
7系統應用產品
如表1所示，系統應用的產品在家庭中的具體使用區域。
8效果及結論
本文將zigbee技術與應用穩定成熟的GSM通信技術實現了智能家居系統的遠程無線控制。該智能家居系統通過監控節點、網關節點和遠程監控端組實現了家居內利用監控節點控制家電運行狀態以及其他家電參數，家居外利用PC機通過因特網遠程監控各節點，同時系統引入GSM技術，真正實現了對家居系統隨時隨地的無線監。該系統結構簡單，維修方便，在一定程度上加進了智能家居系統研究的進程，具有廣闊的社會應用前景。
參考文獻：
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【關鍵詞】ZigBee；智能家居實訓系統；CC2530
一、智能家居概念
智能家居就是以住宅為平臺，兼備建筑、網絡通信、信息家電、設備自動化，集系統、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境。它是通過采用先進的計算機、通信、布線和控制技術，建立一個由家庭安全防護、網絡服務和家庭自動控制等系統組成的家庭綜合服務與管理集成系統，從而實現全面的安全防護、便利的通信網絡以及舒適的居住環境的家庭住宅。
二、ZigBee技術簡介
ZigBee技術是一種重要的短距離、能實現雙向無線通信的技術，由于它具有低成本、低速率、低功耗、低復雜度這些特點，通常被用于自動控制和遠程控制領域。ZigBee協議框架結構主要包括物理層、媒體訪問控制層、網絡層、安全服務層、應用層等五個部分。
ZigBee技術自組網的網絡拓撲結構主要有星型、樹型和網狀三種，在組網時可以根據項目自身的實際需要來選擇其中一種或多種網絡拓撲結構。與普通網絡一樣，每個ZigBee網絡至少有一個類似于路由器功能的器件——協調器，和若干個終端節點，這樣就能建立網絡并對網絡施行協調功能。
三、智能家居實訓系統設計
（一）系統功能需求
根據實現原理及功能來劃分，共包含智能網關板、LED燈光控制板、輕觸開關控制板、485信號控制板、溫濕度光敏采集板、報警監測控制板、節點配置模塊、窗磁報警器控制板等八種。系統通過物聯網應用上位機管理軟件可實現智能照明、智能安防、人臉識別門禁、智能音響、智能冰箱、能耗監測、環境監測、智能窗簾等子系統的功能。
（二）系統總體設計
智能家居實訓系統是以ZigBee技術為基礎，綜合網線網絡通信技術、建立起來的一套完整的家居控制系統。本系統需要在家居設備之上安裝與之功能相對應的節點模塊，這些節點模塊包括了傳感器、執行器和通信模塊。各個節點模塊將各自采集的信息經過處理之后通過家庭控制子網傳輸到家庭控制中心，家庭控制中心將信息上傳到家庭網關，家庭網關響應用戶遠程提交的查詢指令通過Internet將結果反饋到用戶手中的移動終端之上。用廣的控制指令按照相同的路徑傳輸給節點模塊執行設定操作。
本系統實現對物聯網三層（感知層，網絡層，應用層）的全方位技術運用，比較全面的兼顧了物聯網所涉及的各類技術，包括無線傳感器硬件、嵌入式軟件系統、Wifi、Internet端應用軟件開發教學，設計提供了智能家居多個子系統的應用實訓。
系統提供了功能強大的以ARM處理器為內核的網關硬件和自主研發的網關核心軟件，不僅能完成多種無線網絡管理，傳感器和射頻識別信息處理，而且可以通過不同無線和有線網絡路徑，將數據傳輸到上位機管理平臺，并存入數據庫，支持遠程訪問，并運用虛擬技術仿真智能家居場景及設備解決場地及設備制約因素。
（三）系統詳細設計
系統主要包括ARM11 處理器S3C6410和Zigbee模塊組成的家庭網關 、無線路由器、Zigbee 終端設備（ 如紅外探測器、門磁開關和火災探測器和煙感燃氣探測器等）。
系統的內部結構呈 Zigbee 星型網絡結構，由傳感器獲取的相關數據以及各種電器狀態的信息，從終端節點模塊傳送至家庭網關，用戶和家庭網關鏈接到同一個無線路由器，這樣用戶就可以通過internet用戶界面管理家中電器狀態。
1.系統主控制器
智能家居主控制器接收由協調器傳輸來的各類傳感器返回的狀態信息，通過事先由用戶設定好的各個指標如溫度、濕度、光照條件等信息的閾值進行綜合智能判斷，并采取對應的控制措施發出各類家電控制指令。
家庭網關是以ARM11處理器為核心開發的，管理整個系統的終端節點。實訓系統中協調器管理與控制整個Zigbee 無線傳感網絡，每個終端節點設備都加入網絡，并通過此網絡進行數據的保存和處理。
2.終端節點
系統中的終端節點采用集微處理器和RF收發芯片一體的SoC芯片 CC2530 作為主要硬件平臺，模塊不僅具有ZigBee 收發模塊，還有一個MCU 內核的單片機，通過繼電器采集傳感器信息、轉發命令和控制設備的運行狀態。
系統中的終端節點包括三表計量節點、環境溫度濕度監測和控制節點、報警信號采集節點、家電控制節點、燈光控制節點等。主要進行環境中溫度、濕度等各種數據的采集、非法闖入、火災或有毒氣體等意外災難情況的探測以及對各種家電設備的控制。
四、總結
本文在深入了解智能家居系統的基礎上，設計出了基于無線傳感器網絡的智能家居實訓系統“設計包括了智能家居系統的硬件設計和軟件設計兩方面”。與傳統的基于綜合布線技術的智能家居系統相比，存在一些優勢，但智能家居實訓系統通信質量及穩定性和可靠性的好壞及用戶操作的便利性直接影響了智能家居的品質，因此，我們需要進一步完善系統。
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【關鍵詞】智能家居;智能控制中心;BLE技術
The Analysis of the BLE Technology in the Application of Smart Home
HAN Dan ZHOU Zu-rong
（College of Information Science and Technology， Qingdao University of Science & Technology， Qingdao Shandong 266061， China）
【Abstract】Smart home is a house as a platform，with architecture ，network communications， information appliances， equipment， automation and other functions， it is an efficient， comfortable， safe， convenient， environmentally friendly living environment， and biggest feature is the set of systems， structures， control， service management as a whole. Smart home using advanced computer technology network communication technology， remote control technology， wireless transmission technology， combined various subsystem which related to home life in order to unified management and make home life more comfortable， safe and effective. There are some contents related to smart home， and the technology is also in constant updates. The article study the smart phones and accessories connected into a smart home control center. This article mainly study Bluetooth Low Energy technology in the application of the smart home.
【Key words】Smart home; Smart home control center; Bluetooth Low Energy technology
0 引言
家居智能化系統，即智能家居系統的定義最早可以追溯到20世紀70年代的美國，在其后傳播到歐洲、日本等國，發展良好。而在我國，智能家居卻出現的比美國晚了20年。雖然這一概念推廣較晚，但是發展非常迅速，至今建成了相當規模的智能化小區及自動化住宅。
智能家居是將通信技術、電子技術和自動化技術相結合并發展的產物。它可以自動的控制和管理設備，同時也對家庭環境的安全進行監控，它可以為居民提供一個安全、舒適、高效、便利的生活和學習工作環境。通過無線或有線方式，以及遠程或集中管理、監控、維護家庭居住環境的協調并控制家庭自動化系統中的各種家庭通信和信息設備。與普通家具相比，智能家居不僅具有傳統的居住功能，還對周邊居住環境具有一定的認知能力，從而進一步優化居民的生活質量。
許多國家先后提出了不同的智能家居解決方案。現階段，智能化家居系統擁有的功能更加卓越和貼心。
1 藍牙技術
隨著時代的發展和社會的進步，信息化技術逐步的完善，各種通信手段日益增多。我們日常生活中常見的藍牙就是一個實用的例子。
所謂藍牙技術實際上是一種短距離無線電技術，利用藍牙技術能夠有效的簡化掌上電腦、筆記本電腦和移動電話手機等移動通信終端設備之間的通信，從而使這些現代通信設備與因特網之間的數據傳輸變得更加迅速高效，為無線通信開拓道路。說的通俗一點，就是藍牙技術使得現代一些方便攜帶的移動通信設備和電腦設備，不必借助電纜就能聯網，并且能夠實現無線上因特網，其實際應用范圍還可以拓展到各種家電產品、消費電子產品和汽車等信息家電，組成一個巨大的通信網絡。藍牙技術屬于一種短距離、低成本的無線連接技術，是一種能夠實現語音和數據無線傳輸的開放性方案。
2 BLE（Bluetooth Low Energy）技術
藍牙4.0協議是2010年6月由SIG（Special Interest Group）的最新標準，其中包含傳統的Bluetooth（藍牙）、Bluetooth+HS（高速藍）和Bluetooth Low Energy（低功耗藍牙簡稱BLE）。
2.1 BLE技術簡介
低功耗藍牙的最大特點是功耗低，因此，它可以利用一節紐扣電池便可以使用幾個月甚至幾年，正是因為這一特性，使得它被廣泛應用于：藍牙健康檢測儀（包括藍牙血壓計、藍牙血糖儀等）、藍牙運動器材等。它分為dual-mode雙模設備和single-mode單模設備。dual-mode雙模設備簡單說就是向下兼容，而single-mode單模設備僅僅支持BLE。
2.2 BLE協議棧簡介
BLE協議棧如圖1所示：
PHY物理層在2.4GHz的ISM頻率段中跳頻識別。
LL鏈路層：用來控制設備的狀態。
BLE設備可能的五種狀態：standby就緒，advertising廣播，scanning搜索，initiating初始化和connected連接。廣播（advertising）設備發送廣播數據，使得搜索設備可以接收到并發現設備。初始者（initiator）就是一個對廣播者回復連接請求的設備，收到廣播信號后將連接請求反饋到廣播者，如果廣播者接受請求，廣播者與初始者就會進入連接（connected）狀態。每一個處于連接狀態的設備會有一個角色：主機（master）和從機（slave）。初始化這個連接的為主機，接受這個連接請求的為從機。
HCI（Human-computer Interaction人機交互）層為主機（host）和控制器（controller）之間通過一個標準接口進行通信提供了一些方法。實現這一層可以通過一個軟件API或者是硬件接口UART，SPI和USB。
L2CAP為上層數據提供打包服務。
SM：此層包含了建立連接和KEY的方法。
圖1 BLE協議棧結構
GAP：此層直接與profile層和app層進行交互，提供設備的發現和連接相關的服務和初始化安全服務。
ATT協議作用是讓一個設備去顯示數據，其他設備對應的稱之為“Attribute屬性”，在ATT中，顯示這些屬性的設備被稱為服務端（server），同等的另一個設備稱之為客戶端（client）。這類似于LL層的master和slave，但是和ATT層的這兩個狀態沒有關聯。
GATT層：此層可以看作一個服務框架，ATT應用的子程序在這里被定義，profile的結構在這里聲明。在BLE協議棧中，由profile或者是相關服務所使用的所有類型的數據都稱為字符（characteristic）。由于相互連接的兩臺設備的數據交換都需經過GATT子程序處理，所以應用（app）和profile會直接使用GATT。
開發BLE應用（app），只需操作GAP和GATT兩層就夠了，其中GATT用來數據傳送，GAP用來建立連接。
2.3 TICC2541BLE芯片系統架構
針對以上所述的BLE通用協議棧的概述，不同公司所生產的不同芯片、模組所使用的系統架構略有區別，目的為了減少開發時間，提高開發效率。開發人員在熟悉其系統架構后，僅需將開發的應用在其系統上進行部署就可使用，從而提高了了應用的邏輯性。
圖2 CC2541 BLE系統架構
HAL硬件抽象層是用來抽象硬件資源，并通知給軟件。它的作用類似于一個嵌入式系統設備驅動程序的硬件資源的h頭文件。當新的硬件平成后，只是修改HAL，無法修改HAL之上的堆棧協議。從而實現軟件和硬件的低耦合，因此該軟件無需更改或很少修改便可應用到其他硬件，如此方便了硬件改造、升級和遷移后軟件的移植。
OSAL是其調度核心，其中BLE協議棧、profile定義、所有的應用都圍繞它來實現。OSAL并非和傳統使用的操作系統相同，它其實是一個允許軟件建立和執行事件的程序循環。
3 智能家居控制中心
本課題設計的新型智能家居控制中心是一款以ARM嵌入式微處理器為核心，通過建立手機BLE連接獲取控制信息，和家庭內部智能家居進行構建不同種類的無線網絡，實現智能家居系統的控制，可以分為室內控制和遠程控制。系統的總體結構分為硬件和軟件兩大部分：硬件部分包括以ARM微處理器作為智能家居系統的中央控制器、處理模塊和各種功能的實現模塊;軟件部分包括移植嵌入式μC/OSII操作系統和編寫數據傳輸程序的應用原件的設計。系統的總體設計方案如圖3所示。
圖3 系統總體設計方式
從總體結構可以看出，本系統實現的主要功能為：在室內時，用戶通過手機APP，利用手機中的BLE功能模塊與中央控制器的BLE模塊建立連接，發送控制智能家居的指令實現控制智能家居;在室外時，用戶通過移動通信網絡或互聯網給與控制中心建立連接的手機發送控制智能家居的指令，收到指令后智能手機的APP解析并發送至中央控制器，從而實現對智能家居的控制。ARM中央處理器收到BLE模塊轉發過來的用戶指令后，解析請求發送給相應的模塊芯片，各模塊芯片接收指令與相應的智能家居建立無線通訊，完成控制過程。
4 測試結果
通過前幾部分的詳細介紹，基于嵌入式系統智能家居控制中心就構建完成了。現將對整個系統各部分軟硬件進行測試，以檢測用戶能否使用手機通過app建立BLE連接到附件從而達到控制智能家居系統的項目要求。整體平臺的完整實物圖如圖4所示。
圖4 平臺實物圖
我們用一部智能手機裝入已經編寫的APP，用海爾的智能燈433MHz和Zigbee兩盞進行測試。手機通過藍牙與其BLE模塊進行通信，最終成功的控制了不同智能燈的開關和亮滅，從而證明了系統的可行性和可靠性。
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關鍵詞：物聯網；智能門禁；智能環境監測；智能安防；智能家電
中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2016）01-0076-03
引言
物聯網是一個涵蓋和跨越大量現有的專業門類和技術體系的國家戰略性新興技術，是當前世界新一輪經濟和科技發展的戰略制高點之一。[1-3]如何與時俱進地培養物聯網專業人才成了高校教育的首要任務。從2010年以來，全國200多所本科院校、100多所專科院校相繼開設了物聯網工程專業。物聯網技術是下一代信息技術的代表[4]，物聯網是典型的交叉學科，如何利用3～4年時間讓學生熟悉和掌握物聯網技術，培養滿足社會需求的物聯網專業人才，各高校和社會各界人士都在積極探討。高校教師團隊身處一線教育崗位，結合學生學習的實際需求與教學需求，設計一套適合培養優秀的物聯網專業人才的教學設備，有著重大的社會意義。[5-7]
在物聯網的眾多典型應用中，智能家居和我們的生活關系最密切，其市場正日漸興起。伴隨著巨大的產業需求，我國智能家居產業的人才需求量也一路高漲。智能家居的目的是創造一個優質高效、舒適安全、便利節能、健康環保的居住環境，優化人們的生活方式和居住環境，幫助人們有效地安排時間、節約各種能源。[8-10]智能家居平臺也是一個涵蓋多種交叉學科的綜合平臺，是將理論知識靈活應用到實際生活的經典之作。[11]因此，研究和學習智能家居的開發過程成為許多高校培養物聯網應用人才的一個有效途徑。
學生在物聯網實訓平臺的實踐中不僅能接觸到硬件設計、軟件代碼編寫，還能體會實際產品開發過程中各相關專業知識的交叉引用，積累開發經驗。有了物聯網實訓平臺，學生不用走出校門、不用找企業實習，在實驗室里就能積累項目經驗、培養團體精神、提高技術技能，為就業創造更好、更多的機會。
實訓平臺整體設計
面向應用型本科的物聯網實訓平臺，以物聯網技術在智能家居領域的綜合應用為切入點，將與居家生活有關的各種設備有機地結合起來，通過網絡遠程綜合管理設備。筆者主要采取點面結合的研究方法，吸收了嵌入式處理器、ZigBee無線模塊、RFID模塊的最新研究成果，并注重對各大高校需求進行調研，以期找到符合大多數普通高校所要求的物聯網實訓平臺的設計方案，構建求大同存小異的物聯網實訓平臺。本文按功能將物聯網實訓平臺劃分為4個子系統，下頁圖1是系統的整體結構框架圖。
各模塊的主要功能包括：
①中央控制器：中央控制器是物聯網綜合集成創新實踐平臺的核心，中央控制器采用S3C6410+Linux操作系統，通過QT界面功能菜單、來自互聯網負責的命令、手機短信控制和遙控器控制信息等多種控制手段，控制實訓平臺的各個終端節點。
②智能門禁子系統：門禁模塊主要實現指紋識別、ID卡識別、密碼識別、可視對講、文本留言、語音留言和圖像留言等功能。門禁控制器采用S3C6410+Linux操作系統，通過QT界面功能菜單以及模塊連接中央控制器共同實現門禁的各項功能。
③智能環境監測子系統：室內信息包括室內溫度、室內濕度及室內光照度等信息；傳感器采集到相應信息后，通過ZigBee網絡傳輸給中央控制器，中央控制器通過友好的人機交互界面實時顯示室內環境信息，同時以折線圖的方式，清楚地展現出環境變化情況，環境監測信息同時會作為其他子系統控制判斷的依據。
④智能安防子系統：安防模塊由火焰、煙霧、燃氣及人體紅外4種傳感器及終端檢測控制器組成，負責防火、防爆及防盜探測報警。在正常布防狀態下，安防模塊節點將采集到的實時數據通過ZigBee網絡將報警信息發送給中央控制器，中央控制器根據設定的閾值和預設的報警方案啟動報警，預警方式有短信、聲光、語音和文字等。
⑤智能家電控制子系統：家電控制包括燈光控制、窗簾控制、風扇控制。控制家電時，中央控制器接收互聯網、手機客戶端或中央控制器QT界面功能菜單控制命令，通過ZigBee網絡將控制命令發送給由目標家電連接的終端節點，控制相應的家電。控制燈光的亮/滅和窗簾的開/合；在自動情境模式中，通過檢測室內光照度等信息，完成燈光及窗簾的自動控制。
各子系統設計
1.智能門禁子系統設計
主控制器由嵌入式網關、7寸顯示觸摸屏、室內攝像頭、3G模塊等組成。嵌入式網關采用ARM1176JZF-S3C6410 + Linux 2.6操作系統。網關的輸入方式采用電阻式觸摸屏輸入，用戶可在觸摸屏上通過點觸來實現對智能終端的控制，也可以通過觸摸屏來輸入信息。主控制器按照使用功能又分為室內中央控制器和室外門禁控制器。室外門禁控制器通過以太網路由器組成局域網，其結構框架圖如圖2所示。
2.智能環境監測子系統設計
室內環境監測模塊主要由ZigBee節點、溫濕度檢測傳感器、光照度檢測傳感器和二氧化碳檢測傳感器組成。ZigBee節點將采集到的室內環境信息，通過無線方式傳遞給協調器；協調器模塊通過串口1與室內中央控制器連接；中央控制器通過讀取串口數據獲得數據幀，再根據通信協議解析協議內容提取溫濕度和光照度的具體數據值。圖3所示的是ZigBee網絡下的環境監測子系統。
3.智能安防子系統設計
安防模塊主要由ZigBee節點、火焰傳感器、煙霧傳感器、燃氣傳感器和人體紅外傳感器組成。ZigBee節點將采集到的安防信息，通過無線方式傳遞給協調器；協調器模塊通過串口1與室內中央控制器連接；中央控制器通過讀取串口數據獲得數據幀，再根據通信協議解析協議內容提取各安防監測數據。在布防時，中央控制器通過串口發送指令給協調器，協調器再根據節點編號發送給目標節點。圖4所示的是ZigBee網絡下的安防子系統。
4.智能家電控制子系統設計
家電控制模塊主要由ZigBee節點、LED呼吸燈、電動窗簾和PWM風扇組成，室內中央空調接收來自QT界面、Web網頁、手機客戶端或短信發來的控制指令，將指令轉化為控制命令幀，發送給協調器。協調器再通過ZigBee網絡將指令發送給要控制的家電模塊。ZigBee節點模塊在接收到控制命令幀后，通過協議解析命令幀，控制家電模塊做出相應動作。圖5所示的是ZigBee網絡下的家電控制子系統。
結語
筆者將物聯網實訓平臺分成4個部分，分別設計了各部分的個子系統，此實訓平臺具有以下一些特點：①多學科集成創新技術。諸多技術的融合可加深物聯網工程及相關專業的學生對一些關鍵物聯網技術的理解，方便他們靈活學習和應用各科知識，提高實踐和創新能力。②嵌入式可視對講技術。門禁模塊與中央控制器組成局域網，以S3C6410+QT的開發模式，在Linux操作系統中移植Qt4.7.0，通過TCP/IP協議進行音視頻的實時交互，實現模擬門禁監控與對講功能。③多傳感器網絡的數據識別與采集。能同時采集多種類的終端傳感器，在ZigBee節點上完成數據的識別、傳送和采集。相信隨著科技的發展，實訓平臺將會越來越完善。
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[關鍵詞]智能；家具；系統；設計
中圖分類號：TS665 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）02-0230-01
由于人們對生活環境智能、舒適、安全要求越來越高，并伴隨著計算機技術、通信技術的發展，智能家居便應運而生。然而隨著智能家居的發展，所需要環境監測數據變越來越多，這就需要一種安裝便捷，實用并且價格合適產品出現。有線傳感器系統需要大量的布線，安裝費用高的同時維護也很不方便，并且在一些建筑物中無法布線。隨著物聯網的發展，我們對智能家具的系統設計作出分析。
1 智能家具系統設計的原則
1.1系統設計的標準性。為了確保系統的擴展性，及網絡技術性，智能家具系統設計應該嚴格依照國家和地區的相關標準執行。保證系統設備是多功能，開發的且可以擴展的設備。系統主機，終端與模塊要采用標準接口設計，且保證系統功能可以擴展，及簡單，方便節約。能夠使設計選用的系統和產品在使用本系統和未來發展的第三方受控設備能夠互通互連。
1.2系統設計的先進性。在廣大用戶的需求下，設計的時候要考慮智能適應技術的發展趨勢，在設計上要保持先進和適度超前，此外更要注重采用最先進的技術標準和規范，以適應以后智能技術發展的趨勢，使整個系統跟著技術發展和進步，去創新，擴充，和升級。系統設計具有開放性，軟件、硬件、通信接口、網絡操作系統和數據庫管理系統等都要符號國家標準，讓系統具備良好的兼容性和擴展性。
1.3系統設計的實用性。現在人們對生活環境的舒適度、安全度、方便度等是越來越高，而智能家具的系統設計目標就是為人類提高高水準的生活環境。智能家居最終的目的是要有實用性。不能華而不實，一定要以實用性，人性化為設計理念。對于一些想智能家電的控制，智能燈具的控制，防盜報警，煤氣泄露等等我們都可以采用多樣的控制方法去控制，例如本地控制，遙控控制，集中控制，手機遠程控制，感應控制，網絡控制，定時控制，等等給人們體現智能家具的方便快捷，且對是家具控制操作的便利性和實用性。
1.4系統設計的可靠性。整個系統設計一定要從系統的安全性，可靠性出發，對于各個系統的設計要制定解決系統故障的措施，保證系統的正常運作，和安全使用。具備應付各種復雜的環境的應對能力，以保證使用系統的可靠性。
2 智能家具的系統設計方案
2.1模仿設計。對于一個家具系統的設計來說，模仿設計是必不可少的一個階段，通過模仿，可以啟發新的設計思維，提供新的方法，省時間省資金，且能快速達到設計水平新層面。使用模仿設計的方面對已有智能功能的家具產品的某些原理、形式、特點、加以模仿。在原有的基礎上進行發揮、完善。創新出不同的功能。比如設計智能衣柜，設計人員可以模仿酒店大門的設計原理。來運用在衣柜自動開關門上。還有對于嬰兒床的設計，可以模仿燈具聲控的方法去設計，在嬰兒睡醒啼哭的時候能夠發出警示，通知父母嬰兒睡醒的信息。
2.2移植設計。移植設計有技術移植設計和綜合移植設計，技術移植設計是在同一技術的領域的不同研究對象進行移植設計。雖然智能化技術在其他領域應用相對比較成熟，但是在智能家具中還是有欠缺，所以可以用技術移植設計的方法展開智能家具的設計。綜合移植設計就是把多層次和類型的產品概念。原理及方法綜合引進同一設計對象。智能化家具的設計恰好是把不同智能產品和家具產品的概念。原理。方法引到一起的綜合體，在設計的時候講產品最獨特、最新奇。最有價值的部分移植到智能家具當中。
2.3替代設計。替代設計中，材料替代、零部件替代、技術替代是設計中不可缺少的一部分。材料替代，家具材料有木質、金屬、竹藤、陶瓷、石材、軟體材料。其中任何意見材料的替代都會對設計提出新的要求。例如桌椅的制作材料是木材料。出于對節約天然材料為目的用塑料替代，這樣就必須按照塑料材質的要求進行設計，目前已經研制出智能材料來制作家具。從而實現家具智能化。零部件替代，出于性能改良的目的，用其他產品的零部件或者重新設計的零部件對原產品進行替換，智能家具設計中用到的零部件將隨這電子產品的跟新而替換原有的零部件，例如性能優良的單片機。傳感器等零部件的替換會進一步的改善智能家具的產品性能，同時也給智能家具增添新的功能。技術替代，同一功能的產品，用不同的技術去設計其功能就會產生不同的效果。
2.4專利應用設計。現在智能化家具和家電專利產品的發展趨勢逐漸上升。在發展中專利信息會顯示設計的成功和失敗。所以設計人員可利用已有的專利或者過期的專利對產品進行改進，產生新的設計方案，形成新的設計專利。通過新的專利研究，發現其中的發展渠道，從而有效的創新方法，作為智能家具產品設計的依據。在通過創新設計方法使用時，設計時不單使用一種，可能一種方法可以用在多種家具設計中，以此設計出一系列新型智能家具。
3 加強智能家具系統設計
現代智能化家具的設計正趨向技術上先進、生產上可行、經濟上合理、款式上美觀、使用上安全等方向發展。當今的智能化家具設計界越來越認同并接受一種新的設計理念，以加強智能家具的系統設計。
3.1建立以人為本的設計理念。設計新家具就是設計一種新的生活方式、工作方式、休閑方式、娛樂方式等，以高新技術來體現“以人為本”的思想，結合一些新材料、新工藝來達到智能家具的創新。
3.2智能家具與人的界面交互。人與物體互動的媒介，換句話說，界面就是設計師賦予物體的新面孔。人機交互界面是指人與計算機系統之間的通信媒體或手段，是人與計算機之間進行各種符號和動作的雙向信息交換的平臺。現在市場上大部分智能衣柜、智能鞋柜上有界面的設計，界面多設計為長方形，上有簡單按鈕，整體簡潔大方。
3.3尋找材料與技術較好的銜接方式。智能化家具的一個突出特點就是它更強調功能，研究它的目的就是研究如把高新技術和家具完美結合起來，通過人類的創造活動賦予它們新的功能，使它能更好地適用于用戶的需求。而如果材料與技術無法完美的結合，勢必會影響功能的實現。所以說，尋找材料與技術的銜接方式，一定要特別注重。
3.4建立合理設計理念。智能家具的設計一定要合理，針對像智能電子、智能家居、智能家電這些產品都是通過取代人類的活動來完成一些功能，從而具有了一定程度的智能。所以我們把能夠自動實現一些功能的家具都可以稱之為智能化家具。廣義上來講，智能化家具不僅僅局限于可以自動實現某些功能的層次上，它還應該向網絡化家具、信息化家具的方向擴展，也只有這樣，才能形成一個完整的智能化家具系統。
4 結束語
家具的智能化水平很大程度上反映了科技發展水平，關于智能家具設計方面的，我們需要站在智能化的角度進一步的分析、探索。為了能夠更進一步發揮智能家具設計水平。我們我們可以借助國外的智能技術，國外智能技術在家具行業中已經得到初步應，用智能化家具的前期產品已經出現，這對我國開展該項研究具有很好的借鑒意義和參考價值。從而能夠更加完善我國家具智能的設計水平。
參考文獻
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“中堂”小區位于無錫市錫山區南部，地理位置優越、交通便利，讓入住者擁有“出則都市繁華，入則寧靜悠遠”的居住享受，小區總用面積共68521.9m2，規劃占地面積18504m2，地上總建筑面積46814m2，地下室總面積1850m2，容積率1.66，綠化率40.5％。由168套純中式聯排式別墅組成。
根據開發商的總體規劃布局，以住宅小區人文環境的生態化、文化性、休閑性，以及數字化、智能化未來住宅小區建設的發展趨勢為前提，在滿足人與社會交往的同時，讓休閑、文化、生態及數字化生活環境空間為居住的真正主題，小區將建成具有現代化數字化社區。
在小區和家庭智能化系統的規劃和設計中，數字化社區與家庭不但擁有庭院式的環境藝術設計，休閑綠地和中心花園，同時在現代化公共服務設施方面，將建立先進的綜合物業管理系統、集中的小區Intranet局域網絡平臺，實現小區內獨立家庭的高度安全性、舒適性，和現代多媒體通訊的便捷性，達到21世紀智能住宅的功能目標。使得入住數字化社區的廣大住戶，充分領略現代科技給人們帶來的高素質生活質量和現代家庭新生活。
設計目標
通過采用現代信息傳輸技術、網絡技術和信息集成技術，進行精密設計、優化集成、精心建設逐步建立一個溝通小區住戶與住戶、住戶與小區綜合服務中心、住戶與外部社會的多媒體綜合信息交互系統，為住戶提供一個安全、舒適、便捷、節能、高效的生活環境。結合信息產業的發展特點，以二十一世紀寬帶多媒體信息交互的要求為目標，充分考慮可擴充性，突出方案的前瞻性，同時保證智能化系統具有一定的可管理性，可擴展性和可維護性。
指導思想
采用先進的概念、技術和方法，注意結構、設備、工具的相對成熟，既反映當今的先進水平，又保證在未來若干年內占主導地位，同時堅持面向應用，注重實效，堅持實用、經濟的原則，注重選用的技術和設備的協同運行能力，保護系統投資的長期效應以及系統功能不斷擴展的需求，保證系統的開放性和標準性。為了適應系統變化的要求，充分考慮以最簡便的方法、最低的投資，實現系統的擴展和維護，從而有效保護業主的初期投資，突出方案的經濟性。
堅持高起點，充分利用當今先進的，成熟的智能化技術，保證系統在今后一定時期的先進性：堅持“實用、可靠、先進、經濟”，確保系統高度集成、總體優化、安全可靠、穩步推進。
系統設計原則
智能小區系統工程在本案設計過程中應遵循以下設計原則：
可行性和適應性
系統要保證技術上的可行性和經濟上的可能性。當今科技發展迅速，可應用于住宅小區的技術和產品層出不窮，設計選用的系統和產品應能夠使用戶得到實實在在的受益，滿足近期使用和遠期發展的需要。在多種實現信息途徑中，選擇最經濟、可行的技術與方法。以現有成熟的技術和產品為對象進行設計，同時考慮到周邊信息、通信環境的現狀和發展趨勢，并兼顧管理部門的要求，使系統設計方案可行。
先進性和成熟性
系統設計既要考慮系統的先進性，更要注重系統的穩定性、可靠性。系統的設計應具有較高的可靠性，在系統故障事造成系統癱瘓后，能確保數據的準確性、完整性和一致性，并具備迅速恢復的功能。特別在重要的系統中，應具有高的冗余性，確保系統能夠正常運行。
開放性和標準性
為滿足系統所選用的技術和設備的協調運行能力，以及系統投資的長期效應和系統功能擴展的需要，系統設計必須堅持系統的開放性和標準性。系統的開放性已成為當今系統發展的一個方向。系統的開放性越強，系統集成商就越能夠滿足用戶對系統的設計要求，更能體現了科學、方便、經濟、實用的原則。標準化是科學技術發展的必然趨勢，在可能的條件下，系統中采用的產品都盡可能標準化、通用化，并執行國際上通用的標準或協議，使其選用的產品具有極強的互換性。
可靠性和穩定性
系統設計既要考慮系統的先進性，更要注重系統的穩定性、可靠性。系統的設計應具有較高的可靠性，在系統故障或事故造成系統癱瘓后，能確保數據的準確性、完整性和一致性，并具備迅速恢復的功能。特別在重要的系統中，應具有高的冗余性，確保系統能夠正常運行。
系統介紹
1、系統介紹
波創第一代的智能網關系統雖然實現了智能家居和對講，安防、門禁系統的統一平臺，但是由于對講系統仍然采用模擬技術，所以在布線施工上仍然需要布兩套線。而且由于模擬對講存在聯網設備過于復雜，無法解決設備搶占和遠距離信號衰減等問題。所以波創公司的技術人員經過2年多的鉆研開發出了全新的基于全數字傳輸的新一代的智能家居網關。
新一代的智能家居網關真正做到了一根線接人，不僅解決了上一代網關無法解決的問題，而且還大大豐富了智能家居的功能。
2，系統的突出優點
組網方式簡便、靈活
小區聯網是疊加在已有的小區寬帶數據傳輸網上的業務網絡，向寬帶數據傳輸網提出傳輸要求，而不單獨建設承載網。
適合大型社區和復雜環境的聯網
對于大型社區或環境復雜的大型別墅群，傳統的總線對講系統在聯網時容易出現信號傳輸質量問題，特別是視頻聯網，總線對講系統需要增加視頻中繼設備，容易造成信號衰減，影響視頻質量，同時給施工和維護造成極大的困難；使用波創全數字網關則各種信號通過TCP/IP協議以數字方式傳輸，不需要增加中繼器等設備，而且信號質量穩定可靠。
克服占線問題
克服總線對講系統做出現的占線問題，波創全數字網關系統采用星型網絡結構，通過TCP/IP網絡傳輸實現點對點呼叫，用戶間的通話不會占線。
采用標準接口
系統設備只需要門口機、室內分機和管理中心，不需要隔離器、聯網切換器等層間設備，設備簡單明了，安裝簡便，大大降低了施工難度和設備的故障率。采用網絡布線，還可以與計算機共用網絡，無須獨立布線，比傳統的系統的結構更加降低工程成本，將施工成本幾乎降低到零。所有設備都使用國際標準接口，維護、保養及擴容都非常方便。
3、系統主要功能
戶戶對講功能
用戶室內機不僅可以和門口機、圍墻機、管理機進行可視對講，而且還可以和其他用戶室內機進行戶戶對講。
安防報警功能
安防系統，家居智能化終端能夠外接各種安防探測器(如紅外、門磁)，如果發生警情，報警信息通過小區局域網絡，發送給小區管理中心監控主機，同時自家電話報警系統會將報警信息發送給業主或相關責任人。用戶同時可以設
定報警自動抓拍功能，同時把抓拍的照片通過電子郵件發送給用戶。在發生報警時智能網關將通過文字和聲音提示用戶哪里發生報警。
家電控制功能
用戶可以根據自己的需求自由的配置和添加家電控制節點。智能主機通過全圖形化的向導提示用戶如何設置和使用家電控制的功能。通過可學習的波創無線／紅外轉發模塊，用戶可以很方便的實現對家中電器的集中管理和電話、網絡的遠程控制。
波創的波創無線／紅外轉發模塊和網關之前通過無線進行連接，因為它是通過智能學習的方式實現家電控制，所以無須對家電做任何的改裝。
智能照明管理功能
智能網關系統通過無線的方式實現對波創智能開關、插座等模塊的集中管理和控制。智能網關可以根據戶型的實際大小增加控制器的數量，從而解決無線距離有限的問題。
智能網關把家中的電器和燈光集中管理起來，可以實現豐富的管理和控制功能。用戶可以預先設定多種包含家電、燈光、窗簾的場景模式，也可以開啟定時控制程序，溫度控制程序，還可以把家電控制和防盜報警聯系起來等。
波創的智能網關系統內置了Web服務器，用戶在任何地方都可以無須下載任何軟件僅僅通過瀏覽器方便的遠程控制家中的電器。燈光和窗簾。
無線上網沖浪
數字家庭智能網關支持WIFI接入，通過內置的瀏覽器實現無線上網沖浪，也可以收、發郵件。
信息功能
系統可以具有信息功能，既可以文本信息(例如小區的停水停電信息)，也可以圖片資料(宣傳或廣告圖片)，即可以單發(一次對單個用戶發送信息)，也可以多發(一次同時對多個用戶信息)。
家庭留影，留言功能
用戶在出門前可以通過智能網關預先留影、留言，家人回來后可以打開觀看。
家庭電子像冊
數字家庭智能網關具有USB和SD卡接口，用戶可以把拍攝的數碼照片在家庭智能網關超大的電子屏幕上進行顯示。
多媒體影音體驗
內置MP3、MP4播放器，用戶可以上網下載或通過U盤、SD卡來享受高品質的數字影音。
電子娛樂
數字家庭網關內置Java虛擬機和多款Java游戲，用戶可以通過家庭智能網關體驗游戲所帶來的樂趣。
小區電子購物
通過數字家庭智能網關可以自由的選購聯網的商場里銷售的物品。大大方便了用戶，同時又為商家帶來了大量的客源，實現雙贏。
遠程控制功能
通過撥打家中的電話或登陸Internet，實現對家庭中所有的安防探測器進行布防操作、遠程控制家用電器、照明、窗簾設備。
遠程監控功能
通過網絡隨時監控家中狀態，并可外接多個攝像頭，實現遠程網絡監控。
在線升級功能
為了保證用戶使用系統的應用效果，系統具有在線自動功能升級功能。系統的升級補丁及版本升級均通過網絡自動更新，使得系統的維護更加方便。
防病毒功能
系統采用嵌入式操作系統，對通用主流病毒具有免疫能力。可以有效的防止病毒的入侵。
結論