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[摘 要]智能家居系统是物联网技术应用的一个重要分支。本文从感知层、网络层和应用层三个层面自下而上全面的阐述了智能家居系统的构成，给出了基于ZigBee技术、ARM内核和GPRS网络技术快速构建智能家居系统的方案，对智能家居系统的创建有一定的指导意义。
[关键词]智能家居； ARM； ZigBee； GPRS
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）47-0263-02
1 引言
随着网络技术及信息科学的高速发展，人们对物体与物体间状态信息的实时共享的需求不断提高，物联网应运而生。物联网是指通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、传感器、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，实现任何时间、任何地点、任何物体的连接，从而进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的庞大网络系统。
物联网的应用渗透到人们生活工作的每一个角落，其应用领域可分为以下八种：城市智能管理、智能家居、定位导航、现代物流管理、食品安全控制、零售、数字医疗、防入侵系统。其中，智能家居方面与人们的日常生活密切关联，本文以智能家居为例对物联网系统的构建进行设计研究。
2 智能家居系统总体结构框架
智能家居系统有三个层次，分别是用来感知数据和设备控制的感知层，进行数据传输的网络层和接收、分析处理数据的应用层。按此分层的总体结构简图1：
3 智能家居感知层的设计
智能家居系统的感知层通过湿度传感器、温度传感器、光照传感器、红外探测器等传感器元件进行信息采集，将采集到的信息通过传输网络和网络层进行信息交流，并执行网络层传输的控制命令。因此，智能家居系统的感知层由各类传感器元件、局域传输网络和主控制器模块三部分组成。
智能家居系统中需要感知的家电数量不确定和位置不固定，并且多数时间处于休眠状态，不需要数据的传输，并且信息交换量小，不需要很高的数据传输功率。基于智能家居系统的这个特点，系统采用由传感器元件和基于ZigBee技术无线传输网络组成无线传感器网络更加方便可靠。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的局域网协议，其技术具有低成本、低功耗、低数据传输功率、大网络容量、工作频段灵活等特点。基于ZigBee技术建立起的无线局域网很好的利用ZigBee技术这些优点。其建立起的无线局域网将大量静止或运动的传感器节点通过自组织的方式与主控制器模块连接起来，组成一个星形网络[1]。其结构框架如图2：
以无线、星型的形式建立起的局域网可以随意的添加或者去掉需要传输信息的节点。传感器节点将采集到的信息通过局域网传递给主控制处理器，主控制处理器把收集到的信息进一步的进行计算处理，最后将有用的信息通过网络层传递给应用层，使用者通过移动设备上的操作界面发送控制命令，并且主控制器也要将应用层传来的控制命令经过筛选，发送给需要执行命令的节点。
因此，智能家居的主控制器采用兼容性好，处理能力强的基于ARM内核的嵌入式微处理器。 ARM为核心的处理器芯片体积小，功耗低，同时支持16位的Thumb和32位的ARM 两种指令集，兼容性好，采用的 RISC 架构，指令执行时间短，采用多级流水线结构处理速度快。另外，主控制器与液晶显示屏幕通过SPI串行接口相连，实现实时显示的人机交互功能[2]。
4 智能家居网络层的设计
智能家居网络层是把感知层感知的信息安全可靠地传送给应用层操作系统的通信系统，泛指互联网、2G/3G移动通信、卫星通信技术等长距离通信的广域网络。其中，GPRS网络是在现有的GSM网络基础上引入SGSN（GPRS业务支撑节点）、GGSN（GPRS网关节点）、和PCU（分组控制单元）。具有传输速度块、实时在线、按量计费、登录快捷和数据传输与语音传输可同时进行等优点。因此，本系统通过主控制器的RS232串口扩展与GPRS模块相连，来实现控制系统与应用层操作系统的远程通信。
当GPRS模块接收到应用层发送的短信信息时，会触发ARM处理器的串行中断，ARM处理器立即读取接收到的短信并进行解析处理，若解析后的数据包含相应的有效控制命令，则将其传送至主控制器节点的智能控制处理器，控制处理器发出的操作命令给相应的分节点的控制部分。
5 智能家居应用层的设计
应用层是智能家居系统和用户的接口，其通过人性化的操作界面对感知层采集的信息进行计算处理、知识挖掘，而实现对家用電器、安防系统等的管理和控制[3]。本系统应用层的操作界面采用云计算的构建理念来实现其强大的操作处理功能。此商业构建模型将任务分派给由大量计算机构成的资源池上，使用各种应用系统能够根据需要获取计算能力，存储空间和信息服务，大大减少了用户建立应用层的花费。用户只需面对手机或是其他移动设备上的APP界面，并通过网络或者短消息向GPRS网络发送控制命令，来实现器远程操作，无需考虑数据传输所进行的一系列处理。
6 结束语
物联网将信息通信技术应用到对现实事物的感知上来，它极大的方便了人们的生产和生活活动，因此它将带来信息产业的高速发展。本文构建的智能家居系统通过各种传感器来实现家用电器和房间内其他情况的信息采集，使用基于ARM的中心控制器，利用ZigBee建立无线传感器网络实现中心控制节点和家电控制子节点间的无线通信，利用GPRS模块建立远距离传输网络，实现智能家居的使用者通过手机对家电设备和安防系统的控制和对家中情况的了解。
我国智能家居产业的发展尚处于起步阶段，本文给出的智能家居的构建方法和各层建设中所需要的技术，对于我们了解和创建智能家居系统有一定的指导作用。
参考文献
[1] 周珊，蔡长青，舒英利，基于ZigBee的智能家居系统设计[J]，科技论坛，2010，42.
[2] 杨堤，基于物联网的智能家居控制系统设计与实现[J]，电子世界，2012.11.
[3] 乔亲旺，物联网应用层关键技术研究[J]，信息通信网络技术委员会年会征文，2011，No.T11.
项目来源：“国家大学生创新训练项目资助”（201311413029）
作者简介
时慧丽（1986— ），女，汉族，河南许昌人，中国矿业大学（北京），控制工程专业，硕士研究生。
[关键词]智能家居； ARM； ZigBee； GPRS
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）47-0263-02
1 引言
随着网络技术及信息科学的高速发展，人们对物体与物体间状态信息的实时共享的需求不断提高，物联网应运而生。物联网是指通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统（GPS）、传感器、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，实现任何时间、任何地点、任何物体的连接，从而进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的庞大网络系统。
物联网的应用渗透到人们生活工作的每一个角落，其应用领域可分为以下八种：城市智能管理、智能家居、定位导航、现代物流管理、食品安全控制、零售、数字医疗、防入侵系统。其中，智能家居方面与人们的日常生活密切关联，本文以智能家居为例对物联网系统的构建进行设计研究。
2 智能家居系统总体结构框架
智能家居系统有三个层次，分别是用来感知数据和设备控制的感知层，进行数据传输的网络层和接收、分析处理数据的应用层。按此分层的总体结构简图1：
3 智能家居感知层的设计
智能家居系统的感知层通过湿度传感器、温度传感器、光照传感器、红外探测器等传感器元件进行信息采集，将采集到的信息通过传输网络和网络层进行信息交流，并执行网络层传输的控制命令。因此，智能家居系统的感知层由各类传感器元件、局域传输网络和主控制器模块三部分组成。
智能家居系统中需要感知的家电数量不确定和位置不固定，并且多数时间处于休眠状态，不需要数据的传输，并且信息交换量小，不需要很高的数据传输功率。基于智能家居系统的这个特点，系统采用由传感器元件和基于ZigBee技术无线传输网络组成无线传感器网络更加方便可靠。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的局域网协议，其技术具有低成本、低功耗、低数据传输功率、大网络容量、工作频段灵活等特点。基于ZigBee技术建立起的无线局域网很好的利用ZigBee技术这些优点。其建立起的无线局域网将大量静止或运动的传感器节点通过自组织的方式与主控制器模块连接起来，组成一个星形网络[1]。其结构框架如图2：
以无线、星型的形式建立起的局域网可以随意的添加或者去掉需要传输信息的节点。传感器节点将采集到的信息通过局域网传递给主控制处理器，主控制处理器把收集到的信息进一步的进行计算处理，最后将有用的信息通过网络层传递给应用层，使用者通过移动设备上的操作界面发送控制命令，并且主控制器也要将应用层传来的控制命令经过筛选，发送给需要执行命令的节点。
因此，智能家居的主控制器采用兼容性好，处理能力强的基于ARM内核的嵌入式微处理器。 ARM为核心的处理器芯片体积小，功耗低，同时支持16位的Thumb和32位的ARM 两种指令集，兼容性好，采用的 RISC 架构，指令执行时间短，采用多级流水线结构处理速度快。另外，主控制器与液晶显示屏幕通过SPI串行接口相连，实现实时显示的人机交互功能[2]。
4 智能家居网络层的设计
智能家居网络层是把感知层感知的信息安全可靠地传送给应用层操作系统的通信系统，泛指互联网、2G/3G移动通信、卫星通信技术等长距离通信的广域网络。其中，GPRS网络是在现有的GSM网络基础上引入SGSN（GPRS业务支撑节点）、GGSN（GPRS网关节点）、和PCU（分组控制单元）。具有传输速度块、实时在线、按量计费、登录快捷和数据传输与语音传输可同时进行等优点。因此，本系统通过主控制器的RS232串口扩展与GPRS模块相连，来实现控制系统与应用层操作系统的远程通信。
当GPRS模块接收到应用层发送的短信信息时，会触发ARM处理器的串行中断，ARM处理器立即读取接收到的短信并进行解析处理，若解析后的数据包含相应的有效控制命令，则将其传送至主控制器节点的智能控制处理器，控制处理器发出的操作命令给相应的分节点的控制部分。
5 智能家居应用层的设计
应用层是智能家居系统和用户的接口，其通过人性化的操作界面对感知层采集的信息进行计算处理、知识挖掘，而实现对家用電器、安防系统等的管理和控制[3]。本系统应用层的操作界面采用云计算的构建理念来实现其强大的操作处理功能。此商业构建模型将任务分派给由大量计算机构成的资源池上，使用各种应用系统能够根据需要获取计算能力，存储空间和信息服务，大大减少了用户建立应用层的花费。用户只需面对手机或是其他移动设备上的APP界面，并通过网络或者短消息向GPRS网络发送控制命令，来实现器远程操作，无需考虑数据传输所进行的一系列处理。
6 结束语
物联网将信息通信技术应用到对现实事物的感知上来，它极大的方便了人们的生产和生活活动，因此它将带来信息产业的高速发展。本文构建的智能家居系统通过各种传感器来实现家用电器和房间内其他情况的信息采集，使用基于ARM的中心控制器，利用ZigBee建立无线传感器网络实现中心控制节点和家电控制子节点间的无线通信，利用GPRS模块建立远距离传输网络，实现智能家居的使用者通过手机对家电设备和安防系统的控制和对家中情况的了解。
我国智能家居产业的发展尚处于起步阶段，本文给出的智能家居的构建方法和各层建设中所需要的技术，对于我们了解和创建智能家居系统有一定的指导作用。
参考文献
[1] 周珊，蔡长青，舒英利，基于ZigBee的智能家居系统设计[J]，科技论坛，2010，42.
[2] 杨堤，基于物联网的智能家居控制系统设计与实现[J]，电子世界，2012.11.
[3] 乔亲旺，物联网应用层关键技术研究[J]，信息通信网络技术委员会年会征文，2011，No.T11.
项目来源：“国家大学生创新训练项目资助”（201311413029）
作者简介
时慧丽（1986— ），女，汉族，河南许昌人，中国矿业大学（北京），控制工程专业，硕士研究生。