基于物联网的智能家居设计方案
目录
前言 (4)
1 绪论 (5)
1.1 物联网技术概述 (5)
1.2 智能家居概述 (6)
1.3 智能家居的发展 (7)
1.4 智能家居系统的特点 (7)
1.5 本章小结 (8)
2 物联网相关通信技术的原理 (8)
2.1 ZigBee无线技术 (8)
2.1.1 ZigBee的概念 (8)
2.1.2 ZigBee的协议栈 (9)
2.1.3 ZigBee的应用领域和应用前景 (14)
2.1.4 ZigBee应用于家庭网络中的关键问题 (14)
2.2 GPRS网络技术 (14)
2.3 本章小结 (16)
3. 智能家居系统设计方案 (16)
3.1 智能家居系统总体设计思想 (16)
3.2 系统工作过程 (17)
3.3 应用技术分析 (18)
3.3.1 无线传输技术 (18)
基于物联网的智能家居设计
3.3.2 GPRS技术 (19)
3.3.3 系统控制器技术 (21)
3.4智能家居的系统设计 (21)
3.4.1 主处理器的选取 (22)
3.4.2模块框架结构 (22)
3.5 本章小结 (23)
4 系统硬件设计 (23)
4.1复位电路 (23)
4.2 单片机晶振电路 (24)
4.3 ZigBee无线传输电路 (25)
4.4 GPRS无线传输电路 (26)
4.5 家电控制电路 (27)
4.6 本章小结 (28)
5 智能家居系统软件设计 (28)
5.1 通信协议的定义 (28)
5.1.1 手机与TC35i模块之间的通信协议 (29)
5.1.2 ZigBee模块与上位机的通信协议 (29)
5.2 系统程序设计 (29)
5.2.1 TC35i短信收发程序 (29)
5.2.2 单片机对继电器的控制 (34)
5.3 本章小结 (36)
6 总结与展望 (36)
6.1 总结 (36)
6.2 展望 (37)
参考文献 (38)
附录A外文译文 (40)
附录B外文文献 (49)
附录C
附录D
摘要
随着物联网技术的发展和人们对物质生活水平的要求的不断提高，人们对生活的安全、舒适、便捷等方面的要求也越来越高。近年来人们对家庭住宅观念发生了巨大改变，智能家居将成为现代化住宅的发展趋势。对于它的研究和开发，是一项有关自动控制、无线连接、无线通信多学科交叉的研究课题。
本文以物联网的发展为背景，通过学习研究物联网的相关技术，明确物联网的关键技术包括：RFID标识技术、传感网技术、M2M技术。在硬件方面，采用了GPRS模块作为远程人机交互手段，接收和发送信息。利用器件组成ZigBee网络实现短距离的无线网络通信，并详细阐述了各硬件模块的功能和实现方法。GPRS模块软件方面，利用AT指令编写程序，实现用户手机的短信收发过程；利用单片机实现了对家用电器的控制。在智能家居控制系统中应用了星型网的网络拓扑，通过ZigBee网实现了节点之间无线通信。
关键词：物联网；智能家居；ZigBee；GPRS；远程控制
基于物联网的智能家居设计
前言
近几年金融危机之后的复苏时期，物联网概念迅速风行，受到各国政府的重视。物联网技术得到越来越多的应用，但关于物联网的定义到现在还没有一个统一的定义从字面上解释，物联网就是―物物相连的互联网‖。可以从两方面去理解：其一，物联网是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络，物联网的核心和基础仍然是互联网；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。研究这项技术的重大意义在于这将使我们周围的一切物体联系到一起，社会变得更加智能，更加方便安全。
智能家居的概念早在上世纪80年代初就已经提出。以―住宅电子化‖实现，到了80年代末，逐步提出了"住宅智能化"，也就是现在所说的智能家居的原型。智能家居是一个以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境。它的研究与设计将优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性、舒适性，甚至合理控制各种能源的使用。家居智能的基本目标是：将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安防装置通过家庭总线技术(HBS)连接到一个家庭智能化系统上进行集中或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的协调。
1 绪论
1.1 物联网技术概述
2009年1月，IBM公司提出了―智慧地球‖的理念；2009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[1]。
物联网的概念：物联网的英文名称为―The Internet of Things‖，简称IOT。从字面上解释，物联网就是―物物相连的互联网‖。可以从两方面去理解：其一，物联网是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络，物联网的核心和基础仍然是互联网；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信[2]。
关于物联网的定义到现在还没有一个统一的定义，有一个较为普遍认同的定义是物联网通过射频识别(RFID)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等各种信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[2]。
究其来源，其实只不过是在20多年前，提出的―泛在计算‖框架下的一个小分支。但是物联网的第一次提出源于1999年，美国麻省理工学院成立Auto-ID研究中心，进行RFID 技术的研发，将RFID与互联网结合，提出了产品电子代码（EPC）解决方案。这是物联网的雏形，一直到现在为止，RFID的发展还是物联网发展的重要部分。2003年，美国《技
基于物联网的智能家居设计
术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。2005年，在突尼斯举行的世界电联报告中明确提出了―物联网‖的概念，国际电信联盟(ITU)发布了《ITU互联网报告2005：物联网》[1]。近几年金融危机之后的复苏时期，物联网概念迅速风行，受到各国政府的重视。我国的《国家中长期科学与技术发展规划(2006-2020年)》和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将物联网列入重点研究领域。智能家居的概念早在上世纪80年代初就已经提出，以“住宅电子化”实现，而后又形成了“住宅自动化”的概念，到了80年代末，逐步提出了“住宅智能化”，也就是现在所说的智能家居的原型。
物联网的关键技术包括：RFID标识技术、传感网技术、M2M技术。物联网体系架构中三个层次所涉及的关键技术是物联网最终实现并得以实施的重要保证。物联网中涉及的关键技术其中无线传感网（传感器网关、传感器）、中间件、客户端软件、用户卡鉴权和安全、远距通信（移动网/互联网等）、安全和隐私、智能处理技术（云计算等）已经广泛应用[4]。
1.2 智能家居概述
智能家居又称智能住宅，英文名称为―Smart Home‖。是指利用先进的计算机技术、网络通信技术、综合布线技术，将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间；还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，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性、舒适性，甚至合理控制各种能源的使用。家居智能的基本目标是，将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭安防装置通过家庭总线技术(HBS)连接到一个家庭智能化系统上进行集中或者异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的协调。要完整地理解智能家居，有必要先对几个智能家居发展过程中有着重大影响的系统进行介绍。
智能家居是一个以住宅为平台安装有智能家居系统的居住环境。由于智能家居受产品生产厂家的限制，在短时间内还没有统一的标准协议，所以一般都是一个厂家单独做系统研发方案的。其中较为有影响力的一次是2007年微软推出的“未来之屋”，是物联网技术应用于日常生活的一个样板[5]。进人房屋时，安全系统会对来访者的面部进行扫描，确认身份后自动打开房门。客厅冰箱上的液晶显示器能列出保存的食物清单，厨房水槽能够根据使用者的身高调节高度，而排风机会根据油烟浓度自动开启。此外，每个房间的墙壁颜
色、装修风格和温度,都可以根据家庭成员的喜好和情绪自动更换。这一概念的提出在推广普及上还需加以时日，但是随着技术的革新，我们这里将把能够实现远程监控、智能照明、以及智能音响的智能家居。我们可以考虑将物联网技术应用到智能家居的设计中，使我们的家居环境更加智能化、人性化、高效化。
1.3 智能家居的发展
相比于国外，我国对智能家居系统的相关产品的研发起步较晚。从目前中国的国情来看，实用型与舒适型应当成为家庭住宅建设的主流，舒适型面向中等偏上收入者。但是住宅是一项使用寿命较长、一次投资较大的特殊商品，因此，建设时的标准必须具有一定的前瞻性。
目前在我国，智能家居系统被定义为：利用4C(自动控制、计算机网络、无线通信、IC卡)技术，通过有效的传输网络，将多元信息服务与管理、安全防护与物业管理、住宅智能化系统集成，提供高技术的智能化住宅小区的服务于管理为手段，以期实现快捷高效的超值服务与管理，提供安全舒适的家居环境。
目前智能家居系统一般要求有三大功能单元：第一，必须要有一个功能非常强大的智能家庭系统平台；第二，必须要有一个完整的综合性的家居布线系统；第三，必须要有家庭内部进行控制的互联网、连接外网的宽带互联网和家庭内部各种家电进行控制的家庭控制网络这三种网络支持的系统才能叫做真正的智能家居系统[3]。
1.4 智能家居系统的特点
(1)它的对象是结构和特性完全相异的各种家用电器，相互之间兼容性比较差，电器之间的数据共享比较困难。
(2)家电的信息量小但对实时性要求较高，必须针对当时的家庭环境进行实时的调整。
(3)家电运行时所处环境有很大差异，对系统的抗干扰性和稳定性要求较高。
(4)家庭用户对于价格要求比较高，必须把组建网络的费用降低到一定程度，才能被广泛认可和接受。
(5)家电完成的功能各有不同，需要达到的智能水平也有很大的差异，要针对不同的功能要求，设计不同家电的智能水平(比如说，如果让电灯也共享Internet资源，显然没有必要，但是家中的摄像监控设备则需要较高的智能水平)。
(6)从用户的角度来说，用户需要简化家电的操作过程，统一家电的操作方法(比如说用统一的遥控器实现所有电器的控制)。因此，组建智能家庭网络时需要考虑的问题有很多。
基于物联网的智能家居设计
1.5 本章小结
本章首先介绍了关于物联网的概念以及技术，指出物联网的应用范畴，接着介绍了智能家居的概念和具体实现的功能，提出智能家居使人们的生活更加高效更加人性，更加方便的理念。在最后又介绍了智能家居系统的几个特点，设计智能家居时需要考虑的一些问题。
2 物联网相关通信技术的原理
2.1 ZigBee无线技术
2.1.1 ZigBee的概念
ZigBee是最近提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。主要适用于自动控制和远程控制领域，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的。在IEEE802.15.4网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备(full-function device，FFD)和精简功能设备(reduced-function device，RFD)。FFD之间以及FFD和RFD之间都可以相互通信；但RFD只能与FFD通信，而不能与其他RFD通信。RFD主要用于简单的控制应用，传输的数据量较少。对传输资源和通信资源占用不多，可以采用非常廉价的实现方案，在网络结构中一般作为通信终端[6]。
FFD一般需要功能相对比较强大的MCU，一般在网络结构中用作于网络控制和管理功能。在IEEE802.15.4网络中，有一个称为PAN网络协调者(PAN coordinator)的FFD设备。是LR-WPAN的网络中的主控制器。PAN网络协调者除了直接参与应用以外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。无线通信信道的特性是动态变化的，节点位置或天线方向的微小改变、物体移动等周围环境的变化都有可能引起通信链路强度和质量的剧烈变化，因而无线通信的覆盖范围是不确定的，在进行网络协议的设计时必须要考虑到无线信道的这个特点。