1、燕山大學物聯(lián)網(wǎng)技術與應用結課報告學院（系）： 電氣工程學院 年級專業(yè)： 17級控制工程 學 號： 學生姓名： 張宏升 0 / 14基于機智云的智能家居系統(tǒng)1、 應用背景與意義1.1應用背景20世紀60年代初到80年代初，國外住宅電子化開始出現(xiàn)；80年代中期，形成了住宅自動化概念；國內(nèi)90年代初，出現(xiàn)了通過總線技術對住宅中各種通信/家電/安防設備進行監(jiān)控與管理的商用系統(tǒng)，這在美國被稱為Smart Home，也就是現(xiàn)在智能家居的原型。基于機智云的智能家居系統(tǒng)依托河北省自動化研究所現(xiàn)有的“國家中小企業(yè)公共服務示范平臺”、“河北省中小企業(yè)公共服務示范平臺”、“河北省中小企業(yè)產(chǎn)

2、業(yè)集群技術服務中心”、“河北省中小企業(yè)技術創(chuàng)新公共服務示范機構”先后承擔科研課題140余項，其中獲省廳級以上各種獎勵70多項，成果轉化率達90以上，為本項目的成果轉化提供了有力的保障。1.2應用意義從目前的發(fā)展趨勢來看，在未來幾年里，家庭安防、智能家居行業(yè)將成為中國的主流行業(yè)之一，其市場的發(fā)展前景是非常廣闊的。預計今后幾年內(nèi)全世界將有近億的家庭構建家庭網(wǎng)絡。二、設計方案基于機智云的智能家居系統(tǒng)最終要實現(xiàn)可以在手機應用程序上遠程控制家里的電燈、插座、紅外遙控電器的開關以及他們的定時時間，也可以在住宅內(nèi)的智能網(wǎng)關控制系統(tǒng)上，通過網(wǎng)關攜帶的圖形化人機交互界面設置電燈控制模塊、插座控制模塊、紅外電器遙

3、控模塊、門窗開合警報模塊、語音模塊的所有功能以及監(jiān)控來自云端的實時遙控命令。因為采用了“機智云”的物聯(lián)網(wǎng)技術方案，使手機應用程序端能與智能網(wǎng)關保持快速數(shù)據(jù)通信。智能網(wǎng)關是整個設計的核心，能起到承上啟下的作用，所以設計了STM32主控芯片、高清彩色觸控屏、WIFI模塊加雙發(fā)無線通信模塊這一方案。STM32主控芯片負責處理來自WIFI模塊、觸控屏和無線通信模塊的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)重新打包分發(fā)出去，觸控屏獨立負責人機交互界面，WiFi模塊負責與路由器通信，兩個無線通信模塊負責與下屬的子模塊進行數(shù)據(jù)交互。電燈控制模塊負責實際開關電燈，插座控制模塊負責實際通斷插座電源，紅外電器遙控模塊負責操控紅外遙控的電器

4、，門窗開合警報模塊負責檢測門窗的狀態(tài)，語音模塊負責提供語音警報和播放歌曲，所有的子模塊均與智能網(wǎng)關保持無線通信，除門窗開合警報模塊外均由220伏市電提供電源 。所以整個系統(tǒng)分為手機控制端、智能網(wǎng)關控制器、電燈控制模塊、插座控制模塊、紅外電器遙控模塊、門窗開合警報模塊、語音模塊七部分。三、產(chǎn)品與技術3.1 實施方案基于機智云的智能家居系統(tǒng)最終要實現(xiàn)可以在手機應用程序上遠程控制家里的電燈、插座、紅外遙控電器的開關以及他們的定時時間，也可以在住宅內(nèi)的智能網(wǎng)關控制系統(tǒng)上，通過網(wǎng)關攜帶的圖形化人機交互界面設置電燈控制模塊、插座控制模塊、紅外電器遙控模塊、門窗開合警報模塊、語音模塊的所有功能以及監(jiān)控來自云

5、端的實時遙控命令。因為采用了“機智云”的物聯(lián)網(wǎng)技術方案，使手機應用程序端能與智能網(wǎng)關保持快速數(shù)據(jù)通信。智能網(wǎng)關是整個設計的核心，能起到承上啟下的作用，所以設計了STM32主控芯片、高清彩色觸控屏、WIFI模塊加雙發(fā)無線通信模塊這一方案。STM32主控芯片負責處理來自WIFI模塊、觸控屏和無線通信模塊的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)重新打包分發(fā)出去，觸控屏獨立負責人機交互界面，WiFi模塊負責與路由器通信，兩個無線通信模塊負責與下屬的子模塊進行數(shù)據(jù)交互。電燈控制模塊負責實際開關電燈，插座控制模塊負責實際通斷插座電源，紅外電器遙控模塊負責操控紅外遙控的電器，門窗開合警報模塊負責檢測門窗的狀態(tài)，語音模塊負責提供語音

6、警報和播放歌曲，所有的子模塊均與智能網(wǎng)關保持無線通信，除門窗開合警報模塊外均由220伏市電提供電源 。所以整個系統(tǒng)分為手機控制端、智能網(wǎng)關控制器、電燈控制模塊、插座控制模塊、紅外電器遙控模塊、門窗開合警報模塊、語音模塊七部分。3.2 技術優(yōu)勢系統(tǒng)總體示意圖見圖3.1。圖3.1 系統(tǒng)總體示意圖基于機智云的智能家居控制系統(tǒng)由七個獨立的小系統(tǒng)組成，他們之間通過無線通信的方式組成一個大系統(tǒng)。把七個小系統(tǒng)的電源接通后，小系統(tǒng)之間的通信模塊就會自動握手連通，智能家居云控制系統(tǒng)正式進入運行狀態(tài)。智能網(wǎng)關上電后就與WiFi模塊保持心跳通信，STM32每隔一段時間都把自己的狀態(tài)通過WiFi模塊上傳到云端上，然后

7、從云端把手機控制端的數(shù)據(jù)點下載下來保存到STM32的數(shù)據(jù)庫中。STM32還要與串口HMI保持通信，每個程序周期內(nèi)要都把STM32的數(shù)據(jù)庫通過串口的方式更新到HMI中，用以保持人界界面數(shù)據(jù)的實時性。同時還要檢測用戶有沒有操控人機界面，一旦檢測到數(shù)據(jù)變化就把人機界面的數(shù)據(jù)更新到STM32的數(shù)據(jù)庫。STM32 還要讀取DS1302時鐘模塊中的時間。STM32通過以上通信把數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中后就將這些數(shù)據(jù)進行整合分析，判斷是否有開關燈、播放音樂、定時的控制指令。運算結束后就會把這些控制指令從新打包放到發(fā)送數(shù)據(jù)庫中，通過發(fā)射模式的無線通信模塊廣播出去。插座、紅外、電燈等模塊接收到來自智能網(wǎng)關的數(shù)據(jù)包后就

8、會根據(jù)通信協(xié)議提取出自己那部分的數(shù)據(jù)，然后保存到各自的數(shù)據(jù)庫中。子模塊會一直檢測數(shù)據(jù)庫中的控制指令參數(shù)是否改變，一旦有數(shù)據(jù)改變，就會執(zhí)行動作，控制電燈點亮、空調調溫、切換歌曲等。而門窗開合警報模塊會一直向智能網(wǎng)關發(fā)送門窗的狀態(tài)。本系統(tǒng)的技術優(yōu)勢主要體現(xiàn)在一下幾個方面：1、遠程控制在上班途中，突然想起忘了關家里的燈或電器，通過手機APP就可以把家里想要關的燈和電器全部關掉。下班途中，通過手機APP先把家里的電飯煲和熱水器啟動，讓電飯煲先煮飯，熱水器先預熱。等回到家馬上就可以洗個熱水澡，并可立即享用香噴噴的飯菜。若是在炎熱的夏天，可以手機APP把家里的空調先開啟，回家后就能享受絲絲涼意。在家里，同

9、樣可以通過手機APP控制家里所有的燈和電器。2. 家電控制通過用智能電器插座、紅外遙控電器開關、定時控制器、手機APP等智能產(chǎn)品的隨意組合，無需對現(xiàn)有普通家用電器進行改造，就能輕松實現(xiàn)對家用電器的定時控制、無線遙控、集中控制、電話遠程控制、場景控制、電腦控制等多種智能控制。3. 智能安防室內(nèi)防盜、防劫、防火、防燃氣泄漏以及緊急救助等功能，全面集成聲光報警，可以起到一定的安防作用。4、協(xié)議加密要想將智能家居推向未來市場，智能家居控制系統(tǒng)的安全性是一個不容忽視的問題，本系統(tǒng)我們針對無線信號發(fā)送端和接收端進行定制傳輸協(xié)議，并給予DES（AES）256進行自加密自解密設計。并且進行了抗干擾性、數(shù)據(jù)完整

10、性、可擴展性設計，并根據(jù)實際情況優(yōu)化網(wǎng)絡拓撲形式，不斷優(yōu)化傳輸效率。5、使用的起的智能家居控制系統(tǒng)智能家居可以說是未來發(fā)展的一個趨勢，目前很多企業(yè)紛紛涉足智能家居的研發(fā)設計制造，但是這些企業(yè)的產(chǎn)品價格昂貴，定位的消費人群都是社會中上層；而我們這這款產(chǎn)品定位的消費人群是中下層人們。3.3 項目的創(chuàng)新性智能家居云控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)在手機應用程序上遠程控制家里的電燈、插座、紅外遙控電器的開關以及他們的定時時間，也可以在住宅內(nèi)的智能網(wǎng)關控制系統(tǒng)上，通過網(wǎng)關攜帶的圖形化人機交互界面設置電燈控制模塊、插座控制模塊、紅外電器遙控模塊、門窗開合警報模塊、語音模塊的所有功能以及監(jiān)控來自云端的實時遙控命令。本系統(tǒng)的

11、創(chuàng)新點主要分為以下幾個方面：1、智能網(wǎng)關控制器智能網(wǎng)關控制器它在本設計中起到數(shù)據(jù)匯集、承上啟下的作用。他可以通過WIFI模組接收來自云端的控制命令，然后發(fā)送到MCU上，MCU更新數(shù)據(jù)庫和做出相應的處理后再根據(jù)不同的協(xié)議把控制指令通過無線通信模塊發(fā)送到子模塊上。智能網(wǎng)關同時還要接收子模塊、觸控屏數(shù)據(jù)，MCU對數(shù)據(jù)進行相應的邏輯處理后再發(fā)送到云端或臨時保存起來。2、電燈控制模塊電燈控制模塊的功能是通過無線通信模塊接收來自智能網(wǎng)關的電燈控制指令，通過MCU對控制指令進行處理分析，MCU根據(jù)得到的結果再去控制繼電器的通斷來控制電燈，MCU還要根據(jù)接收控制信號指示燈的狀態(tài)。最后還要防止繼電器的電壓對MC

12、U產(chǎn)生干擾。3、紅外電器遙控模塊紅外電器遙控模塊的主要功能是通過無線通信模塊接收來自智能網(wǎng)關的遙控指令，MCU把收到的遙控指令進行解釋重組后通過紅外發(fā)射模塊把遙控指令轉發(fā)出去，進而控制空調、電視等。MCU還要控制通信狀態(tài)控制信號指示燈。4、插座控制模塊智能網(wǎng)關把插座信息的控制指令發(fā)出后，插座的無線通信模塊就會接收到數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)發(fā)到MCU上進行處理分析。MCU根據(jù)得到的結果再去控制繼電器的通斷來控制插座電源，MCU還要控制信號指示燈的狀態(tài)。最后還要對繼電器的信號進行光電隔離。在考慮插座模塊的具體應用場景后，還要為模塊設定獨立的電源開關，使用戶在插座模塊上也能控制電源通斷。5、語音模塊語音模塊的主

13、要功能是用無線通信模塊接收來自智能網(wǎng)關的語音控制指令，MCU把收到的遙控指令進行解釋重組后控制警報發(fā)生器做出反應。使警報發(fā)生器發(fā)出聲音，起到阻嚇賊人的作用。6、門窗開合警報模塊門窗開合警報模塊的主要功能是用模塊上的干簧管檢測門窗的開合狀態(tài)，然后用無線通信模塊把信號發(fā)送給智能網(wǎng)關進行處理。還要根據(jù)門的狀態(tài)用MCU控制信號指示燈的顏色。最后要為粘貼在門窗上的警報模塊選擇合適的供電方案。四、總結與展望創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心，以用戶體驗為核心的創(chuàng)新2.0是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的靈魂。物聯(lián)網(wǎng)及移動泛在技術的發(fā)展，使得技術創(chuàng)新形態(tài)發(fā)生轉變，以用戶為中心、以社會實踐為舞臺、以人為本的創(chuàng)新2.0形態(tài)正在顯現(xiàn)，實際生活場

14、景下的用戶體驗也被稱為創(chuàng)新2.0模式的精髓。其中，政府是創(chuàng)新基礎設施的重要引導和推動者，比如歐盟通過政府搭臺、PPP公私合作伙伴關系構建創(chuàng)新基礎設施來服務用戶，激發(fā)市場及社會的活力。用戶是創(chuàng)新2.0模式的關鍵，也是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關鍵，而用戶的參與需要強大的創(chuàng)新基礎設施來支撐。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展不僅將推動創(chuàng)新基礎設施的構建，也將受益于創(chuàng)新基礎設施的全面支撐。作為創(chuàng)新2.0時代的重要產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展必須實現(xiàn)從產(chǎn)學研向政產(chǎn)學研用，再向政用產(chǎn)學研協(xié)同發(fā)展轉變。參考文獻1 李源 . 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品質量安全監(jiān)控溯源體系的構建與應用J. 今日中國論壇, 2013(12):25-26.2 黃葉玨 . 基

15、于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)產(chǎn)品質量安全可追溯平臺的設計與實現(xiàn)J. 綠色科技,2013(1):266-268.3 金江軍 . 物聯(lián)網(wǎng)技術在工業(yè)領域的應用研究J. 信息化建設, 2011(12):32-33.4 蔡婷, 陳昌志, 歐陽凱,等 . 改進的物聯(lián)網(wǎng)感知層訪問控制策略J. 計算機工程與科學, 2015, 37(7):1265-1271.5 朱向慶,王建明 .ZigBee 協(xié)議網(wǎng)絡層的研究與實現(xiàn)J. 電子技術應用,2006, 32(1):129-132.6 陳秋紅 . 面向農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用層的 SCADA 系統(tǒng)性能優(yōu)化研究D. 浙江大學, 2016.7 鄭楠 . 物聯(lián)網(wǎng)技術在城鄉(xiāng)環(huán)境衛(wèi)生管理中的應用J. 中

16、國管理信息化, 2014(3):62-63.8 羅鍵英,倪舜鋒 . 光纖傳感技術在物聯(lián)網(wǎng)中的應用J. 通訊世界, 2016(23):28-29.9 桂振文,王涌天,劉越,等 . 二維碼在移動增強現(xiàn)實中的應用研究J. 計算機輔助設計與圖形學學報,2014, 26(1):34-39.10 張新文,李華康,楊一濤,等 . 基于二維碼技術的個人信息隱私 保 護 物 流 系 統(tǒng) J. 計 算 機 應 用 研 究,2016, 33(11):3455-3459.11 曾煉成,沈岳, 彭佳紅,等 . 基于 UHF RFID 標簽的農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)研究J. 安徽農(nóng)業(yè)科學,2010,38(26):14734-14

17、735.12王陽.新興物聯(lián)網(wǎng)技術LoRaJ.信息通信技術.2017.0113戴國華.NB_IOT 的產(chǎn)生背景、標準發(fā)展以及特性和業(yè)務研究J.移動通信.2016.0714 劉遠聰 . 基于物聯(lián)網(wǎng)智能家居網(wǎng)關系統(tǒng)的設計與研究J . 移動通信,2016(22):71-7415 李忠 . 物聯(lián)網(wǎng)技術下的智能家居遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)設計探討J. 電子測試,2017(9):68-69.16 胡永利,孫艷豐,尹寶才 . 物聯(lián)網(wǎng)信息感知與交互技術J . 計算機學報,2012(6):1147-1163.17 黃志濤 . 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)應用研究J . 通訊世界,2016(4):86-88.18 C. Lin

18、ks The Internet of things will change our world ERCIM News (101) (2015), p. 3 Keynote. URL 19H. Green, How The Internet Of Things Will Change (And Improve) Our Everyday Lives, (Accessed: 03/2017) (Oct 2016).20R. Roman, J. Zhou, J. Lopez On the features and challenges of security and privacy in distributed internet of things Comput. Netw., 57 (10) (2013),pp.2266-2279, 10.1016/net.2012.12.01821IEEE Standards Association, IoT Architecture - Internet of Things (IoT)Architecture,https:/sta