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发布时间:2025-05-19 浏览次数:

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  近几年,移动通信技术从2G到4G,使移动设备也能享受到有线宽带的网速,但在移动用户较密集的区域网速总是十分慢。其次,在建筑内,网络信号因为穿透性的阻碍,信号强度也不够高。对于室内和人口密集的局部区域,我们的期望不再是网络的移动性,而是更偏向于网络的速度和稳定性。WLAN技术利用射频的技术,使用电磁波,取代旧式碍手碍脚的双绞铜线所构成的局域网络,在空中进行通信连接,使得无线局域网络能利用简单的存取架构让用户透过。

  OPNET就是一个网络仿真技术软件包,它能够准确的分析复杂网络的性能和行为,在网络模型中的任意位置都可以插入标准的或用户指定的探头,以采集数据和进行统计。通过探头得到的仿真输出可以以图形化显示、数字方式观察、或者输出到第三方的软件包去。其产品结构有ItDecisionGuru、Modeler、Modeler/Radio三个模块组成,能为用户提供一系列的仿真模型库,在电信、军事、航天航空、系统集成、咨询服务、大学、行政机关等方面被广泛应用。

  基于WLAN室内组网设计的应用场景,仿线m的住宅环境,针对家庭网络进行组网设计。首先,对网络设备进行设置,以太网入户,一台以太路由器进行协议转换,并且以太路由器可以将有线信号转换为Wi-Fi信号,提供给家庭移动互联设备使用。其次,若家庭面积较大或因建筑结构问题,有的区域内无法完全被Wi-Fi信号覆盖,则需要进行扩展,这里我们选用10Base-T,即传输速度10Mbps的非屏蔽双绞线com公司的小型交换机作为以太路由的扩展,实现家庭网络的全覆盖。

  智能家居安防监控系统,集众多高科技技术于一身,如数据、通讯、图像以及计算机的实时系统集成等等,智能家居安防监控系统实现了网络化、数字化、智能化的住宅安全管理。智能家居安防监控系统,通常由四大子系统组成,分别为防盗报警系统,视频监控系统,火灾报警系统和煤气泄漏的报警系统。目前,家居安防系统,是由紧急求助按钮、红外探测器、烟感探头、红外护栏、气体泄漏探头、报警主机以及报警广播等等部分组成的。此外,有些家居安防系统还会连接到个人的计算机上,这是为了有效地监测险情,及时的感知入侵,并做出最快的防护措施。而还有少部分的住宅还安装了视频监控设备,如某些豪华的大型住宅。

  最初的安防监控系统都是用于公共场合,为了保证大多数人的共同利益,对需要进行监控的地方进行监督的一种方式,像大型的公共活动场所,医院、银行等等类似的场所,而家居的安防监控与这些公共场所不一样的是,家居的监控安防就是为了保证住宅主人的安全和隐私,预防打击住宅外的入侵者。所以,在家居的安防监控系统设计上,肯定也就与大型公共空间的监控理念与监控原则不一样,设计上也会有很大的出入。一般来说,家居安防监控的实现大致有四种方案,虽然家居安防监控系统的结构几乎是大同小异,这些结构主要包括:红外防卫栏、红外广角探测器、红外幕帘探测器、门磁性传感器、燃气泄漏探测器、微电脑主机、手机、报警中心。感烟火灾探测器、卷闸门离合传感器、紧急按钮。但是,根据对这些结构的具体侧重的不同,就产生了不同的具体方案。

  (1)报警控制主板+配件。这个方案的优点是,由于配件齐全,所以能及时传递消息到主人的个人电脑和手机上,也可以给110报警。但是这个方案也有自身的缺点,那就是,这个报警方案只是用于警示入侵者,没有视频录像文件,所以发生盗窃等事故案件后,很难抓获违法嫌疑人。(2)计算机、电脑摄像头和监控报警软件三者合一。这个方案自然是弥补了第一个方案中的缺陷,有直接的录像视频文件,而且安装简单,造价也不高。但是,这里存在的问题是电脑黑客的信息盗窃,因为摄像头与家中连接了互联网络的计算机是相连接的。(3)网络摄像机。这是当前较为流行的一种方案,这里只需要两个配件,那就是网络摄像机和路由器,唯一的工作就是配置好路由器,再用网线把网络摄像机与路由器连接起来。优点是网络摄像机可以自动实现远程监控,但缺点也突出,因为网络摄像机的造价比较高昂,而且也容易受黑客的袭击。(4)视屏采集、监控软件、摄像机和电脑的组合。这个方案因为考虑周全,一般用于需要重点监控保护的地方,方案成熟,也能满足住宅主人的需要,但是缺点是,配件太多,所以网线繁复,同时必须要有合适的监控软件的命令才能完成。

  当前的安防监控系统已经完全进入了网络监控的时代,这是时代的需要,也还是时代的趋势。2009年,根据市场的现实需要,业界推出了IMOS―――IP多媒体操作系统。IMOS作为一种开放的多功能的软件平台,从本质上说,IMOS就是一个通用的操作系统与中间件平台。IMOS,与传统的安全防护软件平台以及安全防护软件中间件对比,具备很多特点及优点。(1)在IP监控解决方案中,IMOS的地位是核心支撑平台,IMOS所针对的,不仅仅是上层的管理平台,需要优化支撑网络监控中的网络缓存、编解码器和网络传输交换,同时,IMOS在支持跨区域联网监控系统上也十分方便,满足系统的全局需要,如看、存、控、管以及用各项业务。(2)IMOS作为开放的软件平台,可以通过使用通用I/O引擎,实现管理各种设备,如:安防报警,SCADA与门禁等。(3)IMOS的开放度十分广,不只局限于上层应用,它还可以提供更多更丰富的二次开发手段。(4)IMOS由于是多媒体应用平台,因此可以更方便的实现视频点播、视讯会议、视频直播、即时通信等等。

  随着通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高,家庭实现了生活现代化、环境舒适化、居住安全化,对家居的智能化要求越来越高。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、智能家居——系统设计方案安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成,构建高效的住宅设施与家庭日程事物的管理系统,提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性,并实现环保节能的居住环境。智能家居不仅能给用户提供安全、健康和舒适的生活环境,而且用户能够远程监控自己的家居状态和控制家庭电器设备。

  本控制系统通过上位机手机(或个人电脑),通过Wifi访问STM32单片机,实现环境监控、照明电路、家庭电器、窗户、窗帘、门禁系统的智能控制。它们由统一的智能平台将各个独立的子系统连接成一个能够有相互信息交换,并加以控制的网络。环境监控系统包括各种报警探测器的讯息采集,如煤气探测、火警探测以及室内温度的监测,用户可通过手机实时了解;家电控制子系统可实现对灯具、窗帘等家用电器进行远程控制、定时控制;GPRS远程监控系统可实现主人与家居系统的“沟通”,并将系统检测到的室内相关情况实时的发送给主人,同时主人也可以本地显示控制,并可以通过该子系统向智能家居系统发送相应的指令。

  随着社会的发展和生活水平的提高,智能家居逐渐走入人们的生活。当前市场上存在多种类型的智能家居,如,遥控式、互联网式、声控式等等,但是现有的智能家居仍然存在着操作复杂、控制方式不精确、用户体验差等问题,这些问题制约着智能家居的发展。问题多由控制方式复杂导致,因此,智能家居急需一种简单方便的控制方式[1]。与此同时,嵌入多种传感器的可穿戴电子设备发展迅速,运动手环、智能运动鞋、谷歌眼镜等产品纷纷进入人的生活。设计一种使用可穿戴设备控制的智能家居,用户使用一些简单好记的手势即可控制智能家居,以提高智能家居的用户体验[2]。

  手势控制端主要包括STM32C8T6、MPU6050和蓝牙模块。STM32C8T6是一款小型的ARM单片机,可以在保证运算速度的前提下缩小硬件体积;MPU6050是一个姿态传感器,可以检测出当前手势在X、Y、Z轴上的角速度和加速度,通过姿态解算程序,即可得出用户的角度手势数据。为了达到缩小体积,方便用户使用的目的,我们采用了印刷电路板的方式来制作佩戴端,进过多次改进设计方案,我们最终设计了如图1所示的5×5(cm)的PCB,电路图如图2。

  索博智能家居系统主要采用电力线通信总线技术(荷兰PLC-BUS技术)来实现家居智能化控制。PLC-BUS技术是一种高稳定性及较高价格性能比的双向电力线通信总线技术,它主要利用已有的电力线来实现对灯光、家用电器及办公设备的智能控制。这种电力线通信技术是由位于荷兰阿姆斯特丹市的ATS电力线通信有限公司(ATS.,CO)研发而成,它们致力于设计、开发和制造先进的电力载波智能家居控制技术,并因此技术的革新获得多项专利。

  所谓智能电器控制系统,通俗地讲就是对电器进行智能控制与管理的系统。传统的电器都是以个体形式存在,没有系统的管理与控制;而智能电器控制系统就像一张无形的网络,把所有能控制的电器以一定的结构有机的组合起来,形成了一个整体。通过这个管理系统,用户可以实现对家电的集中无线遥控、定时开关控制及远程控制,以及实现电器的场景控制与管理, 从而达到智能电器系统的节能、环保、舒适、方便功能。索博智能家居系统主要可以实现以下九大功能:

  Maxicom智能家居”是以住宅为平台,兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化,集系统、结构、服务、管理于一体的居住环境。智能家居将各种与信息相关的住宅设备通过家庭内网络(家庭总线)系统连接起来,并保持这些设备与住宅的协调。需要指出的是,“Maxicom智能家居”的概念和技术特点与“智能小区”、“智能大厦”不尽相同,“Maxicom智能家居”更注重住宅中各种电器设备和人们生活的紧密联系,它是整个智能生活领域的核心。

  “Maxicom家居智能技术”是指利用微处理器技术,集成或控制家中的电子电器产品或系统,例如计算机、照明系统、厨房设备、保安系统、暖气及冷气系统、通讯系统、视频及音响系统等。自动化的家庭不再是一幢被动的建筑,相反,它成了帮助主人尽量利用时间的工具,使家庭更为舒适、安全、高效和节能。一方面,系统会自动参考来自各个传感器中的信号做出相应的一系列操作;另一方面主人可以通过键盘、模块面板、手持遥控器、电话、互联网等人机接口来控制家中的电子电器产品。

  我们所说的智能家居就是将居民住宅作为应用平台,综合利用各项技术对相关的家居生活设施进行集合处理,例如:安全防范技术、音频视频技术、自动控制技术、智能家居系统设计方案等,使得家庭事务和住宅设施的管理系统具有更高的效率,从而使得家具的舒适性、安全性、艺术性、便利性得以稳步提升,另外,智能家居可以为我们提供节能环保的居住条件和生活环境[1]。不可否认,这样的智能家居理念可以有机的结合个人需要、先进科学技术和国家的整体实际状况,不仅有利于科学技术充分发挥作用,还有助于我国自然环境的改善,为广大人民群众提供安全、舒适、便利、健康的居住环境。而智能家居通过构建八个子系统实现其现代化、智能化、自动化和安全化。八个子系统分别为:家庭能量管理子系统、背景音乐子系统、智能照明子系统、智能安防子系统、家庭娱乐子系统、家庭信息处理子系统、家庭环境子系统、家庭监控子系统。

  智能家居子系统可以有效地优化和保护家庭的居住环境和生活条件,可以非常好的应用网络电视、手机、计算机等网络设备,从而使得人民的健康有了可靠的保证。1)家庭能量管理子系统。在广大人民群众的生活环境中,水、电、天然气等都属于能量范畴。而家庭能量管理子系统能够有效地计算人民日常所消耗的水、电、天然气等,对用户所需交的费用进行确定,并可自动帮助业主完成缴费任务,实现线)背景音乐子系统。所谓的背景音乐子系统就是在住宅的内部设合适的音乐路线,并且有效率的使用自动感应技术,从而使背景音乐的感应功能更好。居住在住宅中居住的居民可以随时随地打开音乐进行歌曲的选择,可以使人们更好地享受音乐,体验音乐带来的乐趣。3)智能照明子系统。家居生活中,我们更希望更加智能化的控制照明,智能照明子系统对实现节约用电的目标起到了良好的促进作用,同时保护眼睛,减少光线对人类眼睛的伤害,更加体现人性化。从这个意义上讲,智能照明子系统的实用性非常强。智能照明子系统不仅可以对点灯的开关做到自动化的控制,在居民离开时做到自动感应。居民离开时电灯是亮着的,一段时间后,照明系统会自动启动程序,自动对电灯进行关闭。利用智能照明子系统,居民还可以调节灯光的亮度,根据居民自身的喜好和习惯,居民可以对亮度进行智能化的调节,科学化的管理灯光,从而,达到更加科学、更加合理保护人类眼睛的目的。4)智能安防子系统。智能安防子系统最大的优势就是可以对居民住宅的安全实现智能化的保护,而且报警功能非常强大,可以与公安系统进行联网,如果发生非法闯入、火灾、煤气泄漏、紧急呼救等危险事故,依据预先设定的安防系统,智能安防子系统开设相应的营救工作。可以拨打110报警或者向提前设定的电话进行报警,同时也可使用当地的声光进行报警,确保有关的电器处于全面应急的联动状态。当遇到非法入侵的危险时,智能安防子系统主要通过使用保留视频的手段进行证据保存,有效的记录入侵者的行为和证据,尽最大可能的有效保护居住用户的人身生命安全和财产安全。5)家庭娱乐子系统。每一位居住用户都会在家中进行娱乐活动,进行家庭娱乐子系统的安装,用户不用出门的同时,就可以轻松享受一系列感官上的享受,例如:游戏带来的刺激、电影院中强大而且具有视觉冲击的影院氛围甚至是家庭KTV带来的快乐与激情。6)家庭信息处理子系统。人类的生活中,邻里和社区间的信息传递无处不在,想要在住宅中就充分了解小区和物业的有关信息,家庭信息处理子系统就会发挥强大的作用。家庭信息处理子系统不仅具备精确接收、分析和家庭有关信息的功能,还具备自动有效删除垃圾信息的功能,对信息进行自动分类管理,删选垃圾信息的同时,将某些较为重要的信息直接传输到用户手上,家庭信息处理子系统可以有效合理的帮助用户实事的掌握家中的动态。7)家庭环境子系统。在人民群众的眼中,家庭是人生中重要的组成成分,人们非常重视家庭环境的问题,每一位业主都非常重视室内湿度的大小和温度的高低,为良好的解决这样的问题,家庭环境子系统依据每天的天气状况自动调节室内空气的温度和湿度,智能化的调节采暖和调节湿度等方面的问题,使人们居住的环境更加的健康、和谐。8)家庭监控子系统。家庭监控子系统的安装非常有利于住户实事的掌握家庭的各种状况。家庭监控子系统主要由遥控器、总控制器和传感器组成,不同的组成部分之间进行联系的方式是使用规定的通信方式。总控制器的功能就是控制系统,同时与用户进行实时联系交互,不断接收各个组成部分所传输的信息,并对传感器的状态进行实时的监控,当家庭出现访客或遇到危险时,家庭监控子系统可以及时通知用户,用户就可以利用家庭监控子系统远程监控家庭状态,方便、快捷、有效[3]。

  在物联网时代,只要在各种各样的日常用品上嵌入短距离的移动接收器,通过网络所有的物体都进行信息交换。且物联网的实现是通过各种技术的,从应用末端感知核心技术的角度进行分类,物联网技术可分为三类:1)基于射频识别(RFID)的应用。如果我们想将RFID智能标签镶入到监控和管理的对象上,借助现有的技术,例如:数据库技术、网络技术、中间件技术,一个由海量读写器和大量移动设备的电子标签构成的物联网就以建成。2)基于传感器的应用。如果想要控制和管理对象,可在其四周安装许多传感器节点,利用节点获取监控对象的信息,同时将这些信息传输到信息处理中心,因而,一个依据获取的信息对一个“物”进行管理和监控的物联网就以构成[4]。3)基于M2M的应用。所谓的M2M包括增加装置机器通信和网络能力的技术手段,绝大部分指机器和人之间设立连接的一切技术和手段,他的目标就是提升设备的智能化程度。基于M2M技术,我们能够建立机器对人、机器对机器、和人对机器的物联网。

  传统的智能家居系统绝大部分是通过有线的方式构成,这种组成方式不仅需要专业的技术人员和专业的维护公司,还具有工程周期时间长、系统灵活性较差的特点。而物联网智能家居可以有机地将物联网技术和智能家居结合在一起,进而使的现代的智能家居系统具有更好的使用方便、容易维护、安装简单的特点。1)感知层物联网技术的一大特点是全面感知,就是利用二维码、摄像头、传感器等感知、捕获、测量等一系列技术手段,对感知对象进行随时随地的信息接收和捕获,智能家居中,人自身和人们所居住生活的环境都可作为感知对象,传统智能家居的子系统可以做感知层的执行设备。另外,应用物联网技术的智能家居系统还采用了许多特别典型的感知技术,例如:无线门磁、窗磁、无线)网络层物联网中的网络层是指互联网和各种通信网络组合的融合网络,另外,还包括家居物联网管理中心、云计算平台、专家系统等大量信息智能处理的部分。智能家居中,网络层不仅要具备网络运营的功能,还要不断提高信息运营功能[5]。网络层中,可靠传递和智能处理的问题要特别关注。3)应用层应用层是有机结合物联网技术和智能家居并达到家居智能化应用的解决方案集。通过应用层,物联网可以深度融合现代信息技术和传统家居,除此之外,应用层还可为家庭服务商提出第三方借口,使得各种服务更加有利于方便人民的生活。4)案例分析2014年,某分公司曾为房地产老板设计智能家居系统,方案如下:①大门设备:进入智能家居的第一个防护门门,因此可以设置指纹锁、夜视防水摄像机、对讲机等设备,当客人出现时,只有经过主人同意才可进入;②玄关:智能家居的第二个防护门是玄关,通过语音设备可以控制玄关灯的开关和亮度,当进门后,安防系统关闭,当出门后,安防系统开启;③客厅:主人最主要的活动区域是客厅,在此区域内设置背景音乐面板、场景面板等装置设备;④卫生间:红外感应器在这设置,进入卫生间时,灯光自动开启的同时马桶盖也自动打开,无人时,灯光自动关闭,马桶盖子也自动合上;⑤浴室:同样设置红外感应设备,有人时,灯光自动开启,花洒自动打开,并且依据语音提示自动设置水温,无人时,系统自动关闭所有设备;⑥卧室:卧室的空调温度、风速、灯光亮度都可根据语音或者遥控设备进行控制和调节;⑦厨房:设置烟雾、CO等传感器,当污染气体比预设值高时,系统自动发出报警信号。

  智能家居网关作为智能家居系统的中心控制设备,承担着智能家居中所有传感器信息的汇聚、分析与控制,应满足安全高效、智能化与个性化的需求。本文针对智能家居系统的用户需求,在物联网基础上提出一种以树莓派系统为中心网关,综合采用WIFI技术、Zigbee技术,并支持多协议、多网络混合的智能家居系统。系统设计采用模块化、智能化设计,具有稳定性、扩展性与操控性等特点,并可以通过APP终端实现对智能家居系统的远程控制。

  本系统的设计主要由三大部分组成:(1)感应控制层主要由智能家居的各种传感器设备组成,收集家居中如温度、湿度与可燃气体等各种信息以及接收由网关传达的各种命令;(2)网络通信层主要是负责网络通信,包括智能网关、信息服务器、路由器与GPRS、WIFI网络、ZigBee网络、 Internet、红外网络等。网关作为智能家居系统的中心控制设备,承担着各层设备之间的信号传输与控制命令转发解析等任务,用户使用手机发送信号到信息服务器,信息服务器处理信息后再传送到网关,由网关控制各种传感器与家庭设备;(3)应用层包括电脑PC机、手机终端设备,如Android与IOS设备、遥控器等红外手持设备等,手机端可通过因特网或GPRS网络与网关通信,以无线方式管理智能家居各节点的设备终端,支持多用户登录系统进行管理,实现节点设备遥控等功能,从而实时监测与控制家居环境。通过手机端的APP,连接局域网或GPRS网络,实现远程控制智能家居的各种设备。系统结构图如图1所示。

  传感器终端都采用模块化的设计方案,在微处理器单元的基础上,添加传感器与WIFI模块或ZigBee模块,传感器终端通过WIFI或 ZigBee网络与智能网关连接。WIFI模块由于具有稳定性高、传输速度快、传输距离远等特点,因此被广泛应用在各类传输通信设备中。而ZigBee具有功耗极低、组网灵活、传输稳定等特点,因此可以应用在厨房等连接电源不方便的可燃气体检测设备里,在一个纽扣电池供电的情况下,可以工作6~24个月。

  传感器终端的微处理芯片主要由单片机与外围电路组成,是该终端的核心组件,负责执行处理由WIFI、ZigBee等通信模块传送过来的指令。电源模块与LED等模块主要由电源灯与呼吸灯组成,当终端处于工作状态,会显示出不同的灯光组合,增加美感与识别功能。WIFI通信模块与ZigBee模块是一个通信模块,焊接在基础模块上,通过此通信模块,终端设备实现了可以无线连接家用路由器的,与智能网关通信的能力。通过此通信模块,终端设备接收来自智能网关的命令,执行并反馈结果。

  由图1可见,网络通信层包括智能网关、路由器、网络服务器、WIFI网络和Internet等,其中,网关作为智能家居的核心设备,负责整个智能家居网络的管理与协调,处理不同的通信协议之间的转换,同时还要处理家庭多媒体娱乐的音视频解码等,除需保证其满足安全性、稳定性和可靠性外,还要考虑到其性能。综合考虑上述因素,选择开源硬件树莓派作为网关设备,该硬件具有新一代Broadcom BCM2836 800MHz ARM Cortex-A7四核处理器,采用1GB的RAM存储器,带VideoCore IV双核GPU,最高支持HD 1080p视频输出,复合视频(PAL/NTSC)输出,立体声音频输出,提供10/100 BaseT RJ45以太网插座,HDMI 1.3和1.4视频/音频插座,3.5mm 4极音频/复合视频输出插孔插座,4个USB 2.0插座,15路MPI CSI-2连接器,用于Raspberry Pi高清摄像机(775~7731),15路显示串行接口连接器,MicroSD卡插座,从MicroSD卡启动,运行Linux新操作系统版本,GPIO和串行总线引脚管座,通过MicroUSB插座,整块硬件具有集成度非常高、运行速度快、性能高、外设丰富、二次开发方便等优点。

  2.2.1 协议解析与转换。考虑到各种传感器的功耗等特点,本设计采用了多网络融合的模式进行组网,系统内包含WIFI与ZigBee网络。ZigBee协议与互联网中的TCP/IP协议并不兼容,要把基于Zigbee协议的网络接入到TCP/IP协议网络内,需要进行协议转换。通过树莓派系统的扩展板或通用接口(GPIO)外接ZigBee模块,在传感器终端多微芯片电路板上也焊接ZigBee模块,然后在树莓派系统内分配网络ID号和网络地址,网络节点上电后,初始化内部资源,然后发送扫描信号请求连接,从而完成连接。借助z-stack协议栈,由ZigBee网络传送过来的ZigBee协议帧的解析就由 Linux系统完成,Linux系统解析完成后,将有效的数据存入指定内存空间中,供WIFI网络使用,这样就实现了多网融合。

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