智能家居设计论文范文

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基于电力线通信技术的智能家居网络系统，利用电力线通信技术通过电源插座完成家庭联网，并为家庭网络提供互联网接入和多媒体音视频业务，通过家庭服务器对接入家庭网络的信息家电、安全系统实行监控和管理。

一、电力线通信技术概述

电力线通信技术(PLC)是把载有信息的高频加载于电流，用电力线传输，通过调制解调器将高频信号从电流中分离出来，传送到计算机或其他信息家电，以实现信息传递的一种通信方式。目前PLC技术已经形成宽带接入型与家庭网络型两种发展模式，家庭网络型是指通过电力线在用户家中组建高速LAN。这种模式的PLC只提供家庭内部联网，即通过家庭的内部的普通电力线，进行组网连接家庭内部局域网。电力线通信技术有以下优点：信息家电可以通过电力线进行通信，无需另外布线，利用电源线实现智能家居网络成本较低；电力网是覆盖范围最广的网络，PLC技术可以轻松地渗透到每个家庭，其应用范围广泛；网络的接入点是电源插座，电源插座随处可见，数目较多且接插方便；不需要拨号，接入电源插座即接入网络；电力线载波通信较容易实现自动抄表、家居监控等功能。利用电力线载波通信技术实现智能家居网络最方便。

二、电力线智能家居网络的关键问题

2.1载波技术1)正交频分多路复用技术。低压电力线载波信道的传输特性的特点是具有时变性，衰减较大，而且各种干扰噪声复杂。为提高电力线网络的传输质量，电力线通信大都采用正交频分多路复用技术(OFDM)进行调制。即将串行数据转化为N个并行数据分配给N个不同的正交子载波，实现并行数据传输。这样既可得到很高的数据传送速率，又能够有效地抑制码间干扰。应用OFDM技术于电力线通信中具有明显的优越性。OFDM频带不仅利用率高，而且抗干扰性强，可以克服电力线上固有的高噪声、多径效应和频率衰减等现象，有效利用现有低压电力线实现高速数字通信。2)扩展频谱调制技术。这一技术的抗干扰和抗多径效应也较强。因此，也有一些厂家采用这种技术开发电力通信产品。扩展频谱调制技术在相对较宽的频带上扩展了信号频谱，降低了信号的功率谱密度，降低了电磁辐射，削弱了对其他通信系统的干扰。而且接收端通过窄带滤波技术提取有用信号，信号的信噪比很高，抗干扰性增强。另外，扩频通信可以实现码分多址。对于1Mbps左右的系统，应用扩频技术就可以完全满足传输容量的要求，且其设备简单，扩频调制方式较为经济。当传输速率要求在10Mbps及以上时，扩频技术实现起来较困难。在10Mbps及以上传输速率宜采用OFDM调制技术。

2.2网络控制技术目前，家庭自动化网络标准有许多种，较为成熟的有X210、CEBus和LonWorks等。1)X210是最早应用于家庭设备自动控制系统的。X210的控制模式为主从控制模式，信息是单向传输的，从控点只能接收主控点发来的信息，不能反馈。X210的系统信息的传输较慢(传送一个指令需时0.883s)，抗干扰性能差，可用节点数为256个，只能用于普通家庭中的简单控制和专项控制。但其价格十分低廉，而且安装使用较方便，如仅组建一个简单的家居智能网络，可以考虑X210技术。2)CEBus是一个较完整的开放系统，美国电子工业协会(EIA)于1992年正式推出，并定为IS260/EIA2600标准。它定义了在几乎所有传送媒体(Medium)中信号的传输标准，并要求控制信号在所有的媒体中都要以相同的传送速度(10Kbps)传送，从而有效地避免信号传输中可能出现的“瓶颈”问题。CEBus的抗干扰能力比X210强，控制功能亦十分丰富。但接口技术比较复杂，价钱较贵，在中国的应用不多见。3)LonWorks是由美国Echelon公司于1990年12月开发成功的全分布式智能控制网络技术。1997年8月，被EIA的集成家庭系统技术委员会定为家庭网络(HomeNetworking)的标准。Lon2Works完全支持OSI的7成协议，具有良好的开放性、互操作性，其网络系统组成以分布控制为控制模式。对于网络家电来说，只需要将已定义的的网络家电之间信息传递的语法和语义标准在应用层实现后，就能够实现不同厂商之间产品的相互兼容。LonWorks的分布式架构使其具有独立性，部分节点的故障不会造成系统瘫痪。LonWorks最基本的部件是同时具有通信与控制功能的神经元芯片，具有很强的通信能力和一定的数据处理能力。其抗干扰能力很强，其可靠度是这三种网络控制技术最高的(约99.8%)，并具有完善的开发系统和工具。LonWorks的分布式架构，每一个控制装置都可以有随插即用的功能，减免了二次拉线造成的成本，并避免了重新布线的不便。LonWorks可扩展性强，在将来对系统升级时，可充分利用原有资源，降低升级的复杂性及成本。上述三类家庭自动化网络技术都是各有其特点，组网时可根据实际情况进行选择。但如果要组建一个统一的、操作性强、功能完善、可靠性高、可扩展性强的家居智能网络，采用LonWorks技术是一个明智的选择。

三、电力线智能家居网络的组成

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1.设备不统一

相对独立研发，通过添加一些简单的远程操作功能，称其产品数字家庭系统。一个家庭在多个独立的专有数字系统信息中，多个重叠数字家庭系统用户在功能上往往比较混乱。

2.产品不稳定

国内数字产业在数字家庭方面的发展中，并没有一个统一的相关标准规定，在这样的一个市场环境下，许多中型小型企业独立经营标准，加上市场炒作，不注意用户的实际体验，很多是简单增加在某一性能或功能基础上就投入市场，产品间的联系不强，互不相容，甚至互相干扰，不利于数字家庭系统的修改和扩展，只能给用户带来不好的影响。

二、智能系统在家居设计中的状态

从今天的产品体系看，国内还未树立完整的智能数字理念，市场提供的产品间大都无一定的功能与形式的联系，各类产品都独自研发与更新。部分产品研发程序中过多地在电器的使用初级阶段加入指令命令，没有一个完善的整体处理系统。构架内各类设备与电器产品联系较少，超控性能较低，使用效率不高，同时在核心的远程命令体验上的问题需要改进。从使用者的角度出发，智能数字家庭系统的出现首要功能是把人从烦琐的家庭工作解放出来，更多地来享受生活和工作之余归家的放松；同时能掌握家庭中的每一个信息数据，并分析相应的智能家电设备的智能操作以完成某些任务。此系统应用前景非常广阔，适应不同国家、地区人生活的功能需求；同时更应该注意到不同国家、地区、民族、季节等方面的不同，根据用户的需求量身定做对应的数据库、监控方式、信息源代码，保证信息记录与搜索的必要功能。

（一）智能家居系统的性能需求

1.系统10s从每个传感器节点收集的数据。

2.数据的准确性小数点后1位小数。

3.快速响应用户的请求。

4.问题处置利用图像控制。

5.各类参数信息建立在系统内，便于搜索。

（二）智能数字家庭系统功能层次

不同层的智能家居系统根据用户需求，根据硬件处理能力分配任务。系统划分为两层平台。一级使用嵌入式开发板硬件支持平台，与此同时，选择电脑作为二级处理系统平台。由于嵌入式设备的处理能力和内容容量限制，选择使用这个系统级负责数据收集平台，与一些复杂程度不高的智能家用电器的开启和关闭，发送数据到辅助平台，从个人电脑（PC）接受数据传输任务。所以利用PC机应用一个二级硬件设备、图像安保，目的是为使用者及时处置相关数据，同时处理数据的保存任务。在前期硬件设计过程中多级平台建设必须具有以下原则。

1.透明模拟。利用Java语言研发可供使用的仿真体系，并能够运行至少两个Windows和Linux操作系统上，系统抽象OSGI组件技术和设备的使用服务，以Bundle的形式。仿真平台是面向服务为主的，所以不必关心虚拟设备和服务真实设备。

2.可配置性。SmartHome是一个动态的设备，具有各种不确定因素的各式各样的工作。出现各种类型的检测要求。检测工作中会出现能搭档的数据模式。

3.模拟环节方便性能平台是二维图像版式。SHEmu平台是图形界面视觉显示领域的设备，设备工作状态之间具有互操作性，Xml通过配置文件来记录设备的不同状态，相应的图像资源在GU视图与其中某一个文件相搭配，实现不同视图对应不同设备的关系。

4.数据库统。SHEmu提供数据的分类，数据库的管理通过消息记录和初始信息来实施。

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关键词：智能家居；FPGA；ZigBee；无线传感器节点

Key words： smart home；FPGA；ZigBee；wireless sensor node

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）18-0068-02

0 引言

智能家居系统的概念起源于上世纪70年代的美国，随后，传播到欧洲、日本等国并且得到了很好的发展。在我国，智能家居这一概念推广较晚，约在90年代末家居智能化系统才得以进入国内，但发展速度惊人。随着物联网技术的不断发展，根据人们需求而开发设计的智能家居系统拥有更加优越及复杂的配置，可以将家庭中各种通信设备、家用电器以及家庭保安装置通过物联网技术连接起来，实现环境控制、养鱼养花、烧水煮饭、多媒体控制及安全报警等功能，并可以异地监控、管理、报警，为住户提供安全舒适、高效便利的学习生活及工作环境。

由于智能家居系统还缺乏统一明确的国际标准，许多公司开发出的产品都是基于自己组网和信息交换协议，很多产品是针对特定的组网环境开发的，部分核心技术没有对外公布，技术复杂，直接导致了使用范围的局限性。再者，缺乏对应的第三方产品，各个接入设备之间不能兼容，互操作性差，不利于产品的扩充，因而进一步局限了产品的发展。再加上有的系统成本过高，严重影响了产品的普及。本文通过FPGA构建了一个嵌入式控制处理平台，利用FPGA技术低功耗、定制性高、扩展性强、接口灵活等优点，实现了物联网智能家居控制部分的设计，能够满足家居需要。

1 FPGA在物联网智能家居中的应用

目前常见的智能家居系统大多基于ARM的嵌入式系统，这类系统并不能同时支持多种无线通信协议。通过整合多种无线通信控制方式，来实现基于FPGA的物联网智能家居控制器，为智能家居的控制领域探索了一种新可行性的方法。利用FPGA芯片可自由定制以及接口灵活性的特点，设计智能家居控制器各个模块，相比ARM单片机支持串口少的短板，可以使系统在同一时刻支持多种通信方式，从而使系统具有更高的适应性和可扩展性，能够同时控制多达31个家用电器，基本满足日常家居需要。基于FPGA的物联网智能家居在设计实现的过程中，使用了Quartus II等集成开发环境，以及ModelSim专业仿真工具，利用Verilog HDL硬件描述语言，在Altera公司的DE2开发板上进行开发设计。

2 基于FPGA的物联网智能家居设计

2.1 系统功能

基于FPGA的物联网智能家居系统能够最大限度地使家居更加智能化，其三大关键功能是通过网络信息终端进行信息的获取、处理以及，进行信息的及时反馈；对相应的单元以及一些机构进行控制，实现实时监测；兼容性一定要足够强大。该系统特色功能具体如下：

①环境控制系统：对室内温度、湿度、亮度进行实时测量，通过人设模式控制空调、加湿器、窗帘、灯光等设备达到宜居的室内环境；②智能养花系统：通过测量相关参数，提供浇水、施肥、遮盖阳光等功能，可以远程监控养花，或者自动养花；③智能养鱼系统：通过测量相关参数，提供补氧、喂食、控温、换水等功能，可以远程监控养鱼，或者自动养鱼；④智能餐饮系统：通过控制烧水壶、微波炉、电饭锅等设备电源及煤气开关，完成烧水、蒸煮、烹饪等功能，可以远程监控完成或自动完成；⑤多媒体系统：通过开关控制，可以远程操控电视、音响、电脑等设备；⑥完全报警系统：通过测量相关水电气参数或者红外感知参数，对室内实时监控，如有危险提示则报警。

2.2 系统架构

该系统是以单个家庭为单位进行安装，智能家居控制台采用大唐移动公司研制的智能家居控制试验箱，ZigBee中心节点采集环境信息。FPGA相当于智能家居系统中的管理中心，其核心是采用Altera公司推出的32位高性能软处理器nios2与每个子节点连接。管理中心通过串口可根据接收到的ZigBee中心节点数据进行处理，并通过家庭总线系统与其他节点设备进行关联操作，实现家庭环境的监测与管理，从而为用户提供安全、舒适的生活或工作环境。智能家居控制器系统结构图如图1所示。

2.3 硬件结构

2.3.1 FPGA部分

系统的核心控制部分由FPGA实现，其设计思路是：采用Altera公司DE2-70开发平台来完成系统设计，从ZigBee网络传输过来的数据经过串口后存储到DE2-70开发板上的SDRAM中，在FPGA控制平台上，由Altera的IP核构成Nios II软核，并植入FPGA芯片中，然后通过软件编写来实现FPGA控制平台的功能，然后系统从SDRAM中读取数据后将温度、湿度等信息显示在LCD液晶屏上。FPGA系统的Nios II软核结构如图2所示。

2.3.2 无线传感器节点

无线传感器模块由ATMEGA128和CC2420组成，CC2420通过SPI总线连接到ATMEGA128。CC2420是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器，该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。该模块能够在低电压低频率模式下开始工作，同时能够进行低功耗操作，还能够支持许多种不同的低功耗模式，例如睡眠模式以及深度睡眠模式等，都是可以实现的，从而达到系统更加智能化的目的。无线传感器模块如图3所示。

2.3.3 ZigBee中心节点

ZigBee中心节点使用大唐移动公司研制的智能家居控制试验箱配套产品，模块内嵌工作频率2.4GHz基于IEEE802.15.4标准的ZigBee通信协议，支持最新的RS232串行模式，在此标准通信协议下，经测试，ZigBee中心节点每次接力通信都能在75m范围内提供250kbps的速率，能在网状或多次跳接无线网络内支持串行数据路由，速率最高可达38.4kbps，能够达到目前国内产品的最好性能，完整体现了最新ZigBee网络层的强大功能。

3 结论

本系统通过FPGA构建了一个嵌入式控制处理平台， 利用FPGA技术低功耗、定制性高、扩展性强、接口灵活等优点，实现了物联网智能家居控制部分的设计。最终通过Altera公司的DE2开发板验证，本控制系统在板载50MHz的时钟频率下稳定运行，实验结果达到了预期目标。该系统中的部分模块已在我学院SMT实训基地自主开发研制并生产。另外以该系统项目为例，通过翻转课堂教学模式激发了学生的实践操作能力、创新能力，对在研课题具有较好的理论价值和实际意义。

参考文献：

[1]韩德强.嵌入式家庭控制器系统的设计与实现[J].电子技术应用，2008（3）：23-25.

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当前信息化的不断进步，无线传感器技术也在各个领域得到了深入的发展。借助于现在日益发展起来的无线传感器，建立起不受环境和距离高度限制的无线传感器网络，移动终端通过采集大量数据，建立起健康体检系统数据库，可以实时对身体各项指标进行监控和记录，并且提供健康常识的查询，通过数据分析反馈健康状况并且给予药物治疗的方法的功能。对提高我们健康提供便捷，准确的监测数据，帮助用户了解自身的身体状况，有希望成为每个家庭不可或缺的“私人医生”。

1 无线传感器在国内外应用现状

最近几年，尤其是无线通信、集成电路和传感器等技术的飞速发展，使得大批低成本、低功耗、多功能的无线传感器占据了大量的市场。而随之发展的还有无线传感器网络。无线传感器网络近几年来在世界上有着广泛的应用市场。它不仅仅是在在工业、农业、军事、环境、等传统领域取得了巨大成就，还在医疗和护理领域也得到了快速发展。罗彻斯特大学的科学家根据室内的微尘来测量居住者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）、睡觉姿势以及每天24小时的活动状况。英特尔公司也推出了无线传感器网络的家庭护理技术。利用无线通信技术将获得的数据进行整合，并且根据这些信息进行护理，从而减轻护理人员的工作量。基于无线传感器应用优势及其发展大潮，为我们研究的健康体检系统提供了支撑和动力。

2 基于无线传感器网络的健康体检系统

2.1 功能及设计

本系统主要是通过无线传感器进行健康监测。通过表面粘贴的传感器作为神经系统使用，来对使用者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）进行测量。通过无线传感器网络进行数据获取和整理，系统对用户提出帮助和解决问题。根据已经检测的数据分析健康状况并给予合适的意见，可以通过图标等形式显示在智能终端。

2.1.1 通过无线传感器网络进行数据获取和整理

无线传感器网络通常由大量密集部署在某个监测区域的传感器节点以及一个或多个位于区域内或区域附近的数据汇聚节点组成。这些传感器节点体积小，但配备有传感器、嵌入式微处理器和无线收发器等器件，集信息采集、数据处理和无线通信等功能于一体，能够通过无线通信和自组织方式形成网络，可以检测和处理监测区域内的各种环境数据或目标信息，并将所监测到的数据和信息传送给汇聚节点，从而协作完成指定的监测任务。同时，传感器节点还可以通过汇聚节点作为网关，与现有的网络基础设施（如互联网、卫星网、移动通信网等）建立连接，使远程的监控中心或终端用户能够使用采集到的数据和信息。该系统以智能终端设备的Android操作系统平台，用户通过手机与无线传感器网络建立联系，将无线传感器处理后的数据反映到手机中，让用户可以随时查看健康状况。

2.1.2 无线传感器进行健康监测

通过表面粘贴的传感器作为神经系统使用，来对使用者的重要征兆（血压、脉搏和呼吸）进行测量。该系统在腕环设备中嵌入半导体传感器，帮用户随时了解自己的状况，利用无线通信传递必要的信息，来感知和预报身体状况。

2.1.3 无线传感器系统对用户提出帮助和解决问题

根据已经检测的健康状况，在后台数据库进行对比查找，针对不同用户的各项身体指标反馈不同的健康建议，并显示在手机客户端。

2.2 基于无线传感器网络的健康体检系统实现

2.2.1 系统设计

系统首先提示用户进行注册，并设置账户名和密码。注册成功即可利用已经注册的用户名和密码登录健康体检系统中心，与数据库中存储用户名和密码进行匹配，若匹配不成功则返回错误信息，要求重新输入；只有在匹配完全成功时，进入系统的页面，页面设计如图1所示。

2.2.2 系统三层结构

系统三层结构表示层、控制层、业务逻辑层。表示层是处理数据，进行转换，执行通用数据转换的功能。控制层主要是进行函数间参数传递。业务逻辑层为了实现业务接口函数，符合系统的功能。分层系统架构设计已成功在软件系统被广泛应用。分层设计可以使系统分工，有利于系统修改与维护，增强系统灵活性。总会出现业务流程改造的情况，然而接口的功能。在系统的需求下，转换调用顺序可以实现不同功能，不用对接口进行再次开发，体现了系统的可扩展性。 细化系统三层把它们分为表示层、应用层、服务层、实体域、数据层。各层之间相互连接相互贯通，体现了系统的连通性。表示层划分为表示层和应用层。功能是显示系统的页面情况，应用层功能是进行信息交换，通过参数传递并成功发送信息。服务层用XML语言，为业务类服务提供业务功能接口。实体层是数据实体，通过数据验证和封装完成数据。

其具体工作原理见图2。

3 结论

本系统借助于现在日益发展起来的无线传感器，通过实时监测，收集和分析各项数据，建立起健康体检系统数据库，通过数据分析检测身体健康状况，并且提供健康常识的查询，通过数据分析反馈健康状况并且给予药物治疗的建议。

对于创建这样一套健康体检系统，基于所学的计算机程序语言及其容易开发出来，但是在系统推广上还有不足，无线传感器网络数据完整性问题、传感器成本问题及能源供给问题，都需要进一步改进。

参考文献

[1]宋吾力.无线传感器网络的核心及安全技术研究[M].北京：中国水利水电出版社，2015.

[2]何帅.无线传感器网和无线IP网[D].西安：西安科技大学硕士学位论文，2013.

[3]朱佳鸽.基于物联网的智能家居设计与实现[D].北京：中国人民大学学位论文，2013.

[4]贾洪东.无线传感器网络节点定位研究[D].厦门：厦门大学硕士学位论文，2011.

[5]陶圆博.无线传感器网络环境监测系统的设计与实现[M].北京：中国人民大学出版社，2011：136-177.

[6]李海阳.“掌上医院”成为移动医疗新宠[J].中国数字医学，2014（09）.

[7]李斌.基于WSN的分层路由算法研究.吉林大学硕士学位论文，2009.

[8]宋吾力.煤矿安全检测技术及其监控系统研究[M].北京：地质出版社，2016.

作者简介

张晓丹（1995-），女，现为泰山医学院医学信息工程学院2013级信息管理与信息系统专业学生。

孟凡燕（1994-），女，现为泰山医学院医学信息工程学院2013级信息管理与信息系统专业学生。

王浩淼 （1994-），男，现为泰山医学院医学信息工程学院2014级计算机应用技术专业学生。

乔晶（1982-），女，山东省莱芜市人。硕士学位。现为泰山医学院医学信息工程学院讲师。主要研究方向为计算机技术与应用，信息管理。

通讯作者简介