基于物联网的智能家居系统

引言

随着人们生活水平的提高，家居生活从过去的追求豪华 装修发展成为追求家居的智能化。同时近二十年来移动通信 技术、物联网技术、传感器技术也得到了飞速发展，促使智 能家居也从概念开始慢慢走入人们的生活。智能家居系统作为 一套高科技含量的家庭生活产品，在国内不少城市的中高端 楼盘，得到积极的配套开发。智能家居行业在中国乃至全世界 都有广阔的前景，是一个朝阳产业，就目前的发展趋势，预计 在今后的几年内全世界将有近亿的家庭构建起智能、舒适、高 效的家居生活。

本系统综合了以往智能家居系统的优点，从多角度来设 计一种新的智能家居系统。与智能家居系统通信网络的核心目 标不同，智能家居系统中的控制网络需要一种速率不高，但 是对成本控制要求严格的网络架构，控制网络实现的是设备的 互联和控制功能，不需要高速率、高实时性的通信网络来支撑, 从实用的角度来考虑，控制系统应是通信更为灵活、成本更低 的自组织网络。同时结合国际前沿最新的脑电技术，开发脑电 信号触发管理系统，综合应用嵌入式技术、脑电波信号识别、 语音识别、RFID等技术，研究并设计一套基于物联网的智能 家居远程监控系统。

1物联网智能家居系统背景

1.1国内外脑电波研究动态

NeuroSky （神念科技）在近年申请意念耳机的技术专利 并开始发布相关产品，NeuroSky意念耳机利用干态电极传感器采集大脑产生的生物电信号，并将采集到的讯号送入核心芯 片，该芯片是将原始脑电波信号的采集、滤波、放大、A/D转 换、过滤环境噪音及肌肉组织运动的干扰、数据处理及分析 等功能完全集成到一起，并透过电脑传出的以数字化参数方 式对人的当前精神状态进行度量的算法，进行计算后即得到 可量化的参数值。

神念科技目前已经做了干式脑波的基准测试，把干式 传感器系统测量的脑波信号与Biopac系统发出的信号相比 较。Biopac是广泛应用在医学和研究应用程序的湿式电极脑 电系统。神念科技的脑电系统使用的是镀金的干式电极，而 Biopac用的是一次性银-氯化银电极加导电胶。测试时将干式 传感器与Biopac两个系统的电极安装在了同一个位置，紧紧 地靠在一起但并不互相干扰。测试两个系统所记录被测者在不 同状态下的脑波，包括放松状态、冥想状态、警觉状态以及 眨眼干扰下的状态。测试结果显示二者性能相近。

近年来，在辅助高龄老人和残疾人的设备中，不依赖于 肌肉和身体动作或者声音指令，而仅仅采用脑信号和外部世界 相互作用的脑机接口 （Brain Machine Interface，BMI）技术 受到高度关注。本文采用日本理研BSI —丰田协作中心（BSI- TOYOTA Collaboration Center，BTCC）开发的 125 ms 响应 电动轮椅控制系统。

1.2当前我国智能家居发展现状

物联网智能家居作为一个方兴未艾的蓝海市场，受到越 来越多的房地产开发商、网络服务商、设备制造商和电信运营 商的关注。房地产开发商把“全智能”作为二十一世纪房地产 开发的主题，网络服务商推出家庭网络共享，设备制造商推出 各种智能家居设备，中国移动推出“宜居通”，中国电信推出“我 的e家”打造5A数字家庭，但智能家居发展中还存在许多问 题叫

首先，在智能家居的推广宣传上让人们想到的可能就是 高端、奢侈、别墅等字眼，但购买奢侈品、住豪华别墅的毕 竟是少数，因此对于智能家居的宣传推广应不单单是向人们描 述智能家居能实现哪些美好的场景，更应从消费观念上引导 消费者，带动和培养处于财富金字塔中层人群对智能家居的 消费。智能家居市场还在逐步发展的阶段，在体验式营销中应 建立更多的适合大众消费的体验中心，逐步扩大智能家居产业 的消费群体叫

其次，缺乏规范的、统一的行业标准，产业核心技术有 待突破，应用模式有待创新，产品稳定性可靠性还有待进一 步提高。

最后，就是目前市场上的智能家居产品是需要专业的技 术人员到现场安装调试才能够使用，这样就会增加一定的服 务费用。

纵观现今市场现有的成熟智能家居产品，普遍价格昂贵, 系统二次升级开发难度极高回，功能普遍局限在智能电器控 制上，并且操作较为困难，市场用户群体无法顾及老人、小孩 以及残障人士。开发一套功能完备，具有开发潜力，能兼顾更 多人群的智能家居产品已是当务之急。

2智能家居系统总体构架

本系统主要分为电气控制、家居安防和影音娱乐三个主 要模块，其中电气控制又分为智能照明系统、智能风扇系统、 语音控制系统。家居安防由远程视频监控以及指纹识别构成, 整体如图1所示。

3系统网络架构设计

用户访问系统均通过VPN网络访问，网内模块之间采用 串口通信、Socket通信、RFID组网通信等方式进行信息的交流。 其结构如图2所示。

在这套系统中RFID肩负着主控中心与电器控制单元的 交流任务。其中，发送端RFID模块在接收到主控中心的控制 信息后及时将控制命令以2.4 GHz射频信号发送出去，接收端 RFID从系统启动开始，便处于随时监听状态，当监听到发送 端发来的控制信号后，即时转化为电器控制单元命令信号，并 以串口通信的形式，将命令发送给控制单元，从而实现整套系 统的无延迟工作。其次，因为RFID的远距离通信效果比较 好，所以摆脱了从主控中心到家用电气之间的布线问题，从 经济角度提供了良好的解决方案，并且日后如需扩展家用电器 控制单元，只需要从主控中心添加相应的规则，并且从控制单 元接入相应的家电设备即可。

图2系统网络结构拓扑图

4系统硬件设计

4.1系统主控中心的硬件结构

在本系统中，主控中心为控制整套系统的灵魂所在，一方 面负责提供给用户界面来及时的获得用户所需的要求；另一方 面在接收到用户的请求以后也要及时的对用户请求进行处理, 并将相应命令转发给下面的模块进行二次处理。因为顾及到 处理的效率速度等多方面原因所以考虑采用可以高效处理多 线程与数字信号的高性能处理器S3C6410［8］。其硬件结构如 图3所示。

图3硬件结构图

考虑到多路继电器的复用性以及接收端RFID的可控性, 以及高稳定性要求，选取AT89C52作为电器控制模块的主控 -H- LL.心片。

视频监控的方法是通过访问BOA服务器方式开启，当 开启后，用户可以通过刷新页面的方式及时的获得摄像头所 采集到的图像信息，并且用户可以通过BOA服务器关闭监控 功能。监控模块设计原理是：当用户启动监控以后，系统运 行加载摄像头驱动，将采集到的图像信息编码为16位（单一像素点)信息，其中RGB各占5位，6 位, 5位，通过获取 到图像编码后的数据，在服务器中生成test.bmp格式的图像 文件(每1 s重复覆盖生成一次)，之所以采用BMP文件格式, 是因BMP文件构成简单、无压缩，除图像数据外，文件头信 息较容易编写。在服务器提供的HTML页面里，将直接获取 服务器文件下的test.bmp文件，供用户浏览。

4.2硬件组成及其系统构架

本系统选用了 S3C6410作为主控中心核心板处理器，核 心板底连接了一个RFID射频收发器，利用2.4 GHz频段进行 控制命令的转发工作，以及OV9650摄像头模块，指纹识别 模块，语音模块分别用于采集视频信号，验证用户身份以及 提供本地用户更为方便的语音控制模式。电器控制电路五路 继电器模块组，继电器模块组由51单片机作为控制芯片，串 口 RXD，TXD连接另一个RFID接收模块组，51芯片工作内 容为操控RFID接收端接收RFID发射端发射的指令，完成继 电器模块组的操控。另外本系统用无线路由器，作为网络传 输的通道使用。详细的组网关系图如图4所示。

本系统用到的硬件模块分别有基于S3C6410为核心的 ARM11核心板一块，RFID模块两个，电气设备控制模块一 个，演示用电器设备一套与手持设备一个，脑电波采集器一个, 无线路由器一个，摄像头模块一个，语音识别模块一个，指 纹识别模块一个。

5系统功能实现

本系统的主要功能有以下几点：

主控中心运行后加载Linux系统，并完成QT4用户 交流界面的初始化。

开启BOA Web服务器，允许外部网络用户通过无线 路由器Wi-Fi接入服务器并返回HTML页面。

用户在浏览器登陆成功后(支持HTML协议浏览器 的各种平台)，服务器返回相应的控制界面，供用户控制相应 的电器设备。

用户登陆成功后也可在浏览器启动脑电波监控装置

(只支持Windows XP SP3或以更高版本平台，并且安装写好 的相应脑电波监控程序，系统会自动调用)。

主控中心，监听HTML报文，返回用户需求网页数 据以外，监听用户的控制请求，若收到用户的控制请求，调用 相应的控制程序。

控制程序运作流程为：调用串口驱动程序，完成命 令数据向RFID发送端设备的过渡，并最终由RFID发出。

RFID接收端在接收到发送端传来的数据时，以串口 的形式，发送给多路继电器。

本系统软件的整体结构如图5所示。

图6所示是系统的主控中心控制结构图，系统在主控中 心上搭建嵌入式Web服务器实现跨平台访问，实现了远程监 控和控制用户电器设备的目标。采用QT4制作的界面，当开发 板Linux启动后，直接调用了编译好的QT4程序无需二次启 动，用户可以通过触摸屏直接控制在浏览器中的一切控制功 能，并通过对EEG设备采集到的信号进行分析计算，完成数 据的处理分析，再将最终处理结果通过网络传达给控制中心, 由控制中心下达最终命令来达到控制相应用户电器。本系统具 有如下特点：

(1)系统应用了蓝牙、Wi-Fi、RFID等无线技术，可以 尽可能少的布线。控制程序位于BOA服务器程序池内，当BOA服务器接收到用户控制请求时，服务器便从程序池中调 用相应的控制程序。控制程序原理为通过Linux库函数调用串 口设备驱动，完成将控制命令传达给下一模块RFID发送设备。

系统对于无线路由器无任何冲突限制，用户依然可 以自由上网。

系统采用HTML协议用户通信，对平台的支持性极高, 经过测试，安卓、Windows,苹果等平台皆可正常运行。

系统采用模块化设计，各模块之间采用独立的工作机 制，单一模块的选择性增减，不影响整体系统功能的使用，为 用户提供了多种选择性方案，为用户二次升级设备提供了便利。

系统可以从内网访问升级为公网访问，当用户从内网 升级到公网以后可以享受到全球无限制访问系统。

系统采取MD5不可逆式加密验证方式，保证用户 私密性与安全性。

采用友好的用户界面，用户无需经过专业培训，即可 立即掌握相应的技巧。

本系统使用模块化设计，用户可根据自身需求，在功能 选取上做相应的取舍，满足了用户需求及购买能力；在使用上, 无论是智能照明、智能情景或是智能安防都仅需要直接进入 网络便可控制，降低了使用门槛。另一方面，智能家居内的各 种设备相互间可以通信，不需要用户指挥也能根据不同的状态 互动协调运行，优化人们的生活方式，有效合理地安排时间, 增强家居生活的安全性，甚至为各种能源支出节约资金，符合 了国家节能减排的方针。

6结语

系统在主控中心上搭建嵌入式Web服务器实现跨平台访 问，实现了远程监控和控制用户电器设备的目标，并通过对设 备采集到的信号进行分析计算，完成数据的处理分析，并将 最终处理结果通过网络传达给控制中心，并由控制中心下达最 终命令来达到控制相应用户电器的目的。经过安装、测试，证 明系统工作稳定，效果良好。本作品稍加改进使用范围就可以 扩展到别墅、公寓小区、酒店等。产品成本低、安装简单、使 用方便，具有广阔的开发应用前景。未来预期可以通过租用网 络营运商的公有IP或通过VPN等技术手段达到跨地域无限 制访问系统的功能。

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