基于物联网的家庭智能控制系统

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本文摘自《移动通信》2012年17期。作者：蒲竹君

【摘要】文章介绍了一种基于物联网的家庭智能控制系统，从体系结构、通讯过程以及应用层实现三个方面进行了阐述。该控制系统运行在HTPC上，以电视机为主要显示设备，提供娱乐、电视网、信息处理、互联网和物联网服务，适用于家庭中的各类成员。
　　【关键词】智能控制系统 家庭自动化 物联网 HTPC 配置表
　　1 引言
　　近年来，物联网的迅速发展使得具有网络功能的设备进入家庭，家庭自动化技术得到空前发展，许多重大研究已进入家园自动化领域。文献[1]介绍了一种基于Java的家园自动化系统，其控制中心为一台高端PC机，价格昂贵。文献[2]介绍了一种基于蓝牙技术的家园自动化系统，由一个主控制器和许多蓝牙子控制器组成，众多设备共享单一蓝牙模块导致了访问延迟。文献[3]利用固定电话遥控家庭设备，不具有图形用户界面，给用户操作带来很大的不便。文献[4]介绍的控制器使用了一种手套感应手势来连接系统，手势的不准确将导致系统无法阐释指令，且易导致用户疲劳。
　　本文介绍的一种家庭智能控制系统能有效地解决以上问题，实现成本低、界面友好及操作便捷。该控制系统运行在HTPC（Home Theater Personal Computer）上，集电视播放、娱乐、信息处理、物联网设备管理和控制于一体，主要分为电视、娱乐、信息处理、物联网设备管理、照明管理、家电控制和安防管理模块，是智能家居系统的核心设备。该系统的优势在于利用原有的家用设备——电视机来实现灵活便捷的智能家居控制，运行在该平台上的虚拟家园结合了真实环境，适用于家庭中的各类成员。
　　2 系统工作原理
　　2.1 系统体系结构
　　该智能控制系统的体系结构如图1所示，系统运行在HTPC上，通过与电视机显示器的连接输出电视信号可实现电视播放；通过IR（红外接收模块）接收来自遥控器的红外指令，实现遥控器对电视机的控制；通过Wi—Fi与网关通信，网关的作用是对来自异构网络的数据进行转发，实现在家庭智能控制系统上对ZigBee终端设备的控制与监测以及对网络状态的查询。
　　图2中，
　　①HTPC发送消息到网关请求建立连接，将状态变为Send，等待网关回发消息，如果等候超时则将状态变为Fail；
　　②网关收到消息后发送确认消息，将状态变为Rev，等待HTPC发送数据；
　　③HTPC收到网关的确认消息后开始传输数据，最后一个数据包包含Fin标志消息，网关收到该消息后确认数据接收完成，并关闭连接。
　　家庭智能控制系统被动接受通讯过程主要存在于通知、报警等场景，其过程如图3所示：
　　图3中，
　　①网关发送消息到HTPC请求建立连接，如果超时则将状态变为Fail；
　　②HTPC收到消息后发送确认消息，等待网关发送数据；
　　③网关发送数据到HTPC。
　　3 系统设计与实现
　　3.1 系统硬件结构
　　该系统硬件主板的选择基于以下几点要求：
　　（1）为了实现原有的电视视频播放，系统要支持RCA视频输出，为电视机显示器提供视频输入；
　　（2）为了满足高清电视的市场化需求，系统硬件主板需提供1080P硬解/编码；
　　（3）为了在应用层实现虚拟仿真现实，要求硬件主板有较好的处理能力，具备足够的存储空间；
　　（4）为了适合于家庭中的各类成员，系统需具备便捷的可控性和可操作性，该硬件主板要求支持辅助设备的接入，包括耳机、键盘、鼠标等。
　　图4是该系统的主板硬件结构图[5]，它不仅可以很好地满足家庭智能控制系统对硬件主板的要求，而且具有较低的成本。TCC9301采用ARM11内核，主频600MHz，提供1080P硬解/编码；主板支持1G的NAND闪存，有512MB DDR2的存储空间；主板提供多USB接口，可支持辅助设备的接入。
　　3.2 功能实现
　　该系统基于Android操作系统，从高层到低层分别是应用程序层、应用程序框架层、系统运行库层和Linux核心层，通过Android SDK（Android软件开发包）使用Java作为编程语言来开发应用程序。
　　由于涉及的模块较多，本文仅介绍物联网部分。该部分主要实现家庭物联网设备与智能控制系统的关联，在该系统平台上的操作可使物联网终端设备产生相应的响应，包括控制终端设备以及提取状态等。主要通过以下几个步骤来建立关联：
　　（1）程序启动时从网关读取设备配置表，初始化界面；
　　（2）以向导的方式设置房间信息和设备配置，与硬件设备建立关联；
　　（3）生成房间—设备配置表并发送到网关。
　　图5中，左边区域是房间的列表，右边是房间的预览图。预览图分上下两部分，上面是房间和已添加设备的图片，下面是设备列表。设备列表中的信息是预置的，包括不可调光灯、可调光灯、电视、空调等，每个设备从属于一种设备类型，对应一个模块。设备类型分为监测类、控制类。监测类是只读取数据并上报到网关，主要应用于室内安防；控制类是既发送状态数据也接收控制指令，主要应用于家电的智能控制。
　　同时，该系统通过预设物联网场景实现一键智能控制功能。通过人机界面程序生成多条场景记录的场景表，每条记录代表一个场景，每个场景包含多个触发条件和多个执行命令，程序调用Wi—Fi驱动通过无线网卡向网关发送场景配置表。网关接收场景配置表并保存，根据场景配置表自动判断是否满足触发条件，并发送相应的命令到物联网设备执行，命令分为控制命令和监测命令。设备接收到监测命令后需读取数据再发送回网关，网关根据配置表的设定产生保存、发送到电视机屏幕显示或报警等行为。
　　4 结束语
　　本文介绍了一种基于物联网的家庭智能控制系统，该系统将HTPC与家庭原有的电视机结合，构成了易于操作和交互的控制系统；其结合了Wi—Fi技术与ZigBee技术，实现了家电的无线控制。在具体实现过程中，配置表的建立以及与设备的关联是体现其智能化的重点，需要结合实际应用考虑。
　　参考文献
　　[1] 李中堂，王波. 基于Jini技术的智能家居系统集成研究[J]. 建筑电气， 2007（12）： 21—24.
　　[2] 沙爽. 浅析蓝牙技术在智能家居系统中的应用[J]. 世界华商经济年鉴， 2009（4）： 43—45.
　　[3] 寇艳玲. 基于电话机的家用或办公室遥控器[J]. 集成电路应用， 2000（6）： 41—44.
　　[4] 任雅祥. 基于手势识别的人机交互发展研究[J]. 计算机工程与设计， 2006，27（7）： 1201—1204.
　　[5] Telechips. TCC9301_CHIP_SPEC_V0.00[EB/OL]. [2010—05—17]. http：//www.telechips.com/.
　　[6] 靳岩，姚尚朗. Google Android开发入门与实战[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2009.
　　[7] 谢可. 娱乐中心开发总体设计[Z]. 2011.