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摘要：随着信息时代的发展，物联网的出现，智能家居走进千家万户，智能家居技术逐渐地进入并改善着人们传统的生活方式，为人们的生活带来了极大的便利和安全保障。在我国智能家居还属于一个新兴的概念，不同于国外已经将智能家居技术应用于人们的日常生活中，我国对于智能家居这一新概念技术仍处于发展起步阶段，然而，自物联网（Internet of Things）概念提出以来，就掀起了以智能家居为代表的物联网浪潮。智能家居顾名思义是以家庭为平台，充分利用布线技术、无线传感器网络、无线通信技术和自动控制将家中的设施或者电器通过无线网络相结合起来，构成一个物物相联的智能家居系统。本文主要是对无线传感器和无线通信技术在智能家居的应用方面的概述。
关键词：智能家居；远程遥控；无线传感网；应用；原理
一、智能家居发展前景
智能家居是物联网的重要体现之一，现在越来越多的智能产品融入了我们的生活中，带给了我们不少的方便，同时也随着物质财富的不断发展，人们对家居生活也提出了智能化、舒适化和方便化等要求。这种智能化的家居是在现代美学和人们对现代社会的生活的不断提高下慢慢发展起来的，而且现在家居的智能化已经成为了现代生活讨论的一个热门话题，是现代生活的一种标志。现在由于物质财富的不断发展以及设计智能家居系统的成本相对较低，再加上现在家中的电器也越来越智能。现在智能家居的发展前景也正在慢慢的变大中。
二、物联网在智能家居中的技术
2.1感知层。全面感知是物联网技术的一个特征，即利用射频识别（RFID）、二维码、GPS、摄像头、传感器等感知、捕获、测量技术手段，随时随地地对感知对象进行信息采集和获取。在智能家居中，感知对象分为人们所生活的家庭环境和人本身，传统智能家居中的8大子系统可作为感知层的执行设备。除此之外，物联网智能家居系统还应用了许多典型的感知技术，比如无线温湿度传感器，无线门磁、窗磁，无线燃气泄漏传感器等。
2.2网络层。物联网中的网络层包括各种通信网络与互联网形成的融合网络，除此之外，还包括家居物联网管理中心、信息中心、云计算平台、专家系统等对海量信息进行智能处理的部分。在智能家居中，网络层不但要具备网络运营的能力，还要提升信息运营的能力，如对数据库的应用等。在网络层中，尤其要处理好可靠传送和智能处理这两个问题。
2.3应用层。应用层是将物联网技术和智能家居专业技术相结合来实现家居智能化应用的解决方案集。物联网通过应用层最终实现信息技术和传统家居的深度融合，这主要体现在智能电网应用、家庭医疗应用、多媒体娱乐应用、家庭安防应用和家庭控制应用等。除此之外，应用层还为家庭服务商提供有第三方借口，以提供便于人们生活的各种服务。
三、无线传感器网络
无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）是由部署在监测区域内大量传感器节点相互通信形成的多跳自组织网络系统，是物联网底层网络的重要技术形式。无线传感器网络由若干个传感器节点构成的。
3.1传感器节点组成
传感器节点是无线传感网络的重要组成，负责将电器的状态或者周围环境的状态进行收集的重要设备。因为所收集的信息不一致，传感器节点的功能结构也不完全一样，但是基础的结构是一致的，比如电源模块、数据传输模块和数据处理模块。处理器一般是使用嵌入式的CPU。比如由RFM公司有距离短、功耗低的TR1000的无线通信模块组成的数据传输单元。传感器节点一般由获取数据模块、进程模块、数据传输模块和电源四个模块部分组成。四个模块的关系如图1所示：
图1 无线传感器节点模块组成
3.2网络结构体系
根据国际电信联盟的建议，物联网自下向上一般可以分为五个层次：感知控制层、接入层、互联网层、服务管理层和应用层。智能家居作为物联网的重要分支之一，其系统架构也应具备物联网的五层协议。
3.2.1感知控制层：
感知是感知周围的环境和电器的参数值。控制主要是控制电器的开关状态或者是通过调节电器的数值来对周围的环境进行调控。主要的感知设备主要有：温度传感器、烟雾传感器、湿度传感器、有毒气体传感器、人体红外传感器、雨滴传感器等感知设备。控制设备主要有智能插座、智能开关等。除此之外，感知控制层还应该包括一些本身自带有通信接口的电器，例如智能空调、智能洗衣机和带有网络接口的摄像机等。
3.2.2接入层：
接入层主要的设备是物联网网关，由于在感知控制层的设备涉及到的无线通信技术不一致，所以物联网网关包含多种无线通信的通信接口。网关主要是负责将感知控制层的设备接入互联网，一方面将感知层控制层的终端设备的数据进行收集和处理后发送到服务器，另一方面是将服务器更新的数据进行接收、处理后发送到相应的控制终端上，实现远程控制的功能。
3.2.3互联网层：
互联网层的主要功能是将物联网网关连接到小区里面的局域网继而接入互联网或者跳过小区的局域网直接接入运营商的通用网络设备前者可以是接入家里的交换机或者小区的交换机以及是家里的路由器等网络设备；后者可以是接入ADSL调制解调器、Cable Modem、无线路由器或者光纤路由器等。
3.2.4服务管理层：
服务管理层主要包括应用的服务器、WEB服务器以及数据库服务器。应用的服务器主要是负责与每个物联网網关定时通信，通过物联网网关来获取感知控制层的设备数据，然后将数据保存到数据库服务器中。Web服务器主要是负责将这些数据发布到网络上，提供给用户通过浏览器远程查看设备的状态，同时用户也可以通过Web服务器来对家中的节点终端进行控制从而控制电器。
3.2.5应用层：
应用层主要含有电脑、手机和智能终端设备等。用户可以通过智能手机上的APP或者是浏览器来对家中的设备进行控制或者查看家中电器的状态、家中环境的状况等。由于不同的手机有不同的操作系统，因此应该根据相应的平台设计相应的APP。Web服务器采用了动态的网页生成技术，真正的后台在Web服务器上，所以用户不需要划分操作系统平台，用户只需登录相应的网址后可便可对家中的设备进行控制。
四、常用的无线通信技术
4.1 ZigBee：
ZigBee无线通信技术正在慢慢的被大家所认可。 ZigBee使用最多的有2.4G、915M和868M三种频率段，这三种频率的传递速度分别是：250Kbits、40Kpbs、20Kpbs，有效的传输范围从十米到一百米不等。用户可以根据不同的环境情况选择相应的频率。ZigBee与其它通信技术相比较，有廉价性、传输速率低、高效率性、安全性高、数据传输量大和功耗低等优点。
4.2蓝牙：
蓝牙一般的通信范围是半径十米内，就算是最大2.45赫兹ISM波段的蓝牙也就是半径三十米的范围半径，传递的速率为2Mbps。蓝牙的主要有使用方便、通信过程稳定和全程不占用有线网络的资源的优点。
4.3红外线技术：
红外技术不需要接收器接收，操作的时候将遥控器对着设备的方向操作即可，是一种点对点的传输技术。优点是使用方便、功率低和成本低以及保密性等优点高。缺点是传输距离短且中间不能有实物遮挡，传送的速率不能控制。
4.4 Wifi：
WiFi（Wireless Fidelity，无线保真技术）是一种可以将个人电脑、手持设备（如PAD、手机）等终端以无线方式互相连接的技术，是距IEEE802.11的别称。WiFi在开阔区域的通信半径有300米左右，在封闭的场所通信半径也有100米左右。WiFi是一种短程的无线传输技术，能够在它传输的范围内给用户提供接入互联网的无线电信号提供互联网的访问。WiFi的传输速度快，耗能高，可以用来传输大数据。
五、系统总体设计
根据物联网的5层网络结构和上面介绍的四种无线通信技术，无线传感网在智能家居中的物理结构图如图2所示。物联网网关接受到服务器的指令后，将指令转发到相应的终端节点，通过控制终端节点的继电器来控制电气设备的状态。本系统主要是采用网蜂公司的物联网开发平台，图3为该开发平台使用的继电器的电路图。
图3 继电器硬件电路图
5.1蓝牙平台
通过蓝牙模块、手机或电脑作为主机，连接另一蓝牙模块（从机），蓝牙模块（主机）通过按键S1控制发送数据给从机。模块（从机）接收到信息后执行控制继电器指令，从而控制台灯。整个过程 在协议栈（BLE--CC254x—132）中进行。
5.2 ZigBee平台
本设计的传感器都是基于ZigBee平台的，传感器节点将传感器收集的数据通过协议栈将数据发送到协调器。协调器可将数据在LCD上显示出来或者将数据发送到物联网。
5.2.1温度传感器DS18B20
DS18B20数字传感器封装后可以应用于多种场合，具有接线方便、耐磨耐碰、体积小封装形式多样，可用于各类狭小空间设备数字测温和控制领域。硬件电路图如下。
5.2.2烟雾传感器
烟雾传感器是通过检测烟雾的浓度状况来实现火灾防范，原理是给IO口一个高低电平来反映外界情况。电路原理图如下。
5.3 WiFi平台
本系统设计中使用的是瀚特公司的智能插座，控制过程主要是通过手机APP来控制智能插座中的继电器的状态从而来控制插座的的通电状态。智能插座通過家中的无线WiFi接入网络，手机通过网络可以在APP上远程控制插座的状态，还可以查看电器的耗电情况。
六、物联网技术在智能家居中的运用
6.1無线温湿度传感器：主要用于探测室内、室外温湿度。虽然绝大多数空调都有温度探测功能，但由于空调的体积限制，它只能探测到出风口空调附近的温度，这也正是很多消费者感觉其温度不准的重要原因。有了无线温湿度探测器，你就可以确切地知道室内准确的温湿度。其现实意义在于当室内温度过高或过低时，能够提前启动空调调节温度。无线温湿度传感器对于你早晨出门也有着特别意义，当你呆在空调房间时，你对户外的温度是没有感觉的，这时候装在墙壁外的温湿度传感器就可以发挥作用，它可以告诉你现在户外的实时温度，根据这个准确温度你就可以决定自己的穿着，而不会出现出门后才知道穿多或者穿少的尴尬。
6.2无线红外防闯入探测器：这个功能主要是用于防非法入侵，比如当你按下床头的无线睡眠按钮后，关闭的不仅是灯光，同时它也会启动无线红外防闯入探测器自动设防，此时一旦有人入侵就会发出报警信号并可按设定的自动开启入侵区域的灯光吓退入侵者。或者当你离家后它会自动设防，一旦有人闯入，会通过无线网关自动提醒你的手机并接受你手机发出的警情处理指令。
6.3无线空气质量传感器：这主要是探测卧室内的空气是否混浊，这对于要回家休息的你很有意义，特别是对有婴幼儿的家庭尤其重要。它通过探测空气质量告诉你目前室内空气是否影响健康，并可通过无线网关启动相关设备优化调节空气质量。
6.4无线门铃：这种门铃对于大户型或别墅很有价值。出于安全考虑，大多数人睡觉时会关闭房门，此时有人来访按下门铃，在房间内很难听到铃声。这种无线门铃能够将按铃信号传递给床头开光提示你有人造访。另外在家中无人时，按门铃的动作会通过网关传递给你的手机，而这对你了解家庭的安全现状和来访信息非常重要。
6.5无线门磁、窗磁：主要用于防入侵。当你在家时，门、窗磁会自动处于撤防状态，不会触发报警，当你离家后，门、窗磁会自动进入布防状态，一旦有人开门或开窗就会通知你的手机并发出报警信息。与传统的门、窗磁相比，无线门、窗磁无需布线，装上电池即可工作，安装非常方便，安装过程一般不超过2分钟。另外对于有保险柜的家庭来说，这种传感器还能够侦测并记录下保险柜每次被打开或者关闭的时间并及时通知授权手机。
6.6无线燃气泄漏传感器：该传感器主要是探测家中的燃气泄漏情况，它无需布线，一旦有燃气泄漏会通过网关发出报警并通知授权手机。
6.7无线辐射传感器、无线空气污染传感器：对于一些对太阳辐射敏感的人来说，这种传感器具有特别的意义，通过它你可以准确知道出门前是否需要采取防太阳辐射或者防污染防尘措施。
七、结束语
综上所述，本文主要是概述无线传感网络在智能家居中的应用，介绍了智能家居的五层网络结构体系的功能，前景以及现在比较流行的几种常用的无线通信技术的优缺点。系统设计以ZigBee平台为主，蓝牙平台和WiFi平台为辅。传感器节点和控制节点大多都是在ZigBee平台上实现。系统设计的比较简单，功能还不是很完善。
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论文作者:杜文超
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第14期
论文发表时间:2017/10/9
标签：传感器论文; 智能家居论文; 节点论文; 技术论文; 网络论文; 蓝牙论文; 互联网论文; 《建筑学研究前沿》2017年第14期论文;