物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

張為方等

摘 要：著眼于智能家居系統(tǒng)中的萬能遙控器，利用ZigBee以及M2M等技術(shù)，在原有手機(jī)萬能遙控器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造與再創(chuàng)新，即將原有紅外外接設(shè)備與手機(jī)設(shè)計成一個整體作為中介發(fā)射端，并通過另一臺移動設(shè)備控制這一中介，從而完成萬能遙控的目的。

關(guān)鍵詞：手機(jī)萬能遙控器；中介發(fā)射端；ZigBee；M2M

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）08-00-02

0 引 言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展推動了人類社會的不斷進(jìn)步，以智能手機(jī)為代表的各種智能產(chǎn)品應(yīng)運而生，智能家居的概念也逐漸走入人們的生活。所謂智能家居，就是利用計算機(jī)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、綜合布線技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)（如信息家電、安防等）有機(jī)地結(jié)合在一起，充分體現(xiàn)“以人為本”，其本質(zhì)上是物聯(lián)網(wǎng)的平民化體驗。

目前，我國的物聯(lián)網(wǎng)體系已初具雛形。與國外相比，我國物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)支持能力并無過分懸殊，但在傳感器、RFID等感知端制造產(chǎn)業(yè)和高端軟件、集成服務(wù)等方面仍差距較大。雖然當(dāng)下我國的儀器儀表、嵌入式系統(tǒng)和軟件集成與服務(wù)等產(chǎn)業(yè)已有較大規(guī)模，但真正與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的服務(wù)與設(shè)備才剛剛起步[1]。物聯(lián)網(wǎng)還有著很大的發(fā)展空間。

當(dāng)前，經(jīng)濟(jì)的全球化與社會的信息化已成為時代發(fā)展的潮流。隨著智能化便攜式移動設(shè)備（主要是智能手機(jī)）的普及以其性能的提高，便攜式智能移動設(shè)備（智能手機(jī)）成為智能家居系統(tǒng)的控制端越來越具有說服力。

針對上述觀點，當(dāng)下，市面上已不乏手機(jī)萬能遙控器產(chǎn)品的出現(xiàn)，手機(jī)萬能遙控器是讓手機(jī)轉(zhuǎn)變成各種家用紅外電器的遙控器。其原理均是運用相關(guān)軟件，通過手機(jī)直接或間接發(fā)射紅外線來實現(xiàn)。除了部分型號（三星GALAXY以及諾基亞等）具有紅外功能外，大部分手機(jī)需外接設(shè)備來完成該功能的實現(xiàn)。外設(shè)產(chǎn)品目前主要有三種：①藍(lán)牙轉(zhuǎn)紅外手機(jī)遙控器；②耳機(jī)接口轉(zhuǎn)紅外發(fā)射器；③USB接口（OTG）轉(zhuǎn)紅外發(fā)射器。這三種產(chǎn)品目前已有一定市場，但不難發(fā)現(xiàn)，它們都有缺點：即為了實現(xiàn)紅外功能，必須舍棄手機(jī)原有的某項功能，比如通過藍(lán)牙進(jìn)行文件與信息傳輸、耳機(jī)的插入與使用、通過USB接口的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

鑒于需要外接來實現(xiàn)紅外功能的缺點，我們把原有軟件、外設(shè)產(chǎn)品與原手機(jī)作為一個整體，并將其作為一個中間轉(zhuǎn)換器，即通過另一臺移動設(shè)備并應(yīng)用相關(guān)軟件來對其進(jìn)行控制，這樣，在實現(xiàn)萬能遙控的同時，也很好地保護(hù)了原移動設(shè)備的基礎(chǔ)功能。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

支撐物聯(lián)網(wǎng)的四大技術(shù)包括：兩化融合、RFID、M2M、傳感網(wǎng)（ZigBee/WiFi）。但根本項研究密切相關(guān)的是后兩者。

1.1 M2M技術(shù)

M2M是一種用于設(shè)備與設(shè)備之間傳遞與交換信息的技術(shù)，是在實現(xiàn)智能家居過程中的基礎(chǔ)技術(shù)。與傳統(tǒng)的家庭網(wǎng)絡(luò)相比，M2M以其自組織、高可靠性、可擴(kuò)展性強(qiáng)、覆蓋范圍廣、成本低并且組網(wǎng)靈活等優(yōu)點，形成一種配置方便、速率較高的家庭局域網(wǎng)絡(luò)，并且逐漸成為無線通訊領(lǐng)域發(fā)展的新方向，主要在不同設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)中發(fā)揮作用，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的功能，最終實現(xiàn)對家居設(shè)備的智能控制。

早在MWC 2012開展前，就曾有人做過預(yù)測，機(jī)器與機(jī)器之間的通信將成為最大的看點。而在之前的美國CES上，智能手機(jī)在家庭網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用成為了最重要的主題。M2M對于傳統(tǒng)運營服務(wù)商來說，同樣是一個新興的行業(yè)。MWC的主辦方GSMA曾經(jīng)聲稱僅僅對于移動運營商來講，在2020年這一領(lǐng)域的市場將達(dá)到1.2萬億美元[2]。無獨有偶，今年的MWC2015上，智能家居精彩的亮相，讓我們對其未來的發(fā)展充滿信心。

1.2 ZigBee技術(shù)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種新興的近距離、雙向的無線通訊技術(shù)，是一種介于藍(lán)牙和無線標(biāo)記技術(shù)之間的技術(shù)提案。主要應(yīng)用于近距離的無線連接。其主要優(yōu)點有：

（1）低功耗。這是ZigBee的主要優(yōu)勢。在低耗電待機(jī)狀態(tài)下，1節(jié)5號干電池可以支持1個節(jié)點工作3～12個月，甚至更長；

（2）低成本。ZigBee免協(xié)議專利費，且每塊芯片造價僅約2美元；

（3）低速率。ZigBee工作速率在20～250 kb/s，分別提供 250 kb/s（2.4 GHz）、40 kb/s（915 MHz）和20 kb/s（868 MHz）的原始數(shù)據(jù)吞吐率，可滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的要求；

（4）短延時。ZigBee響應(yīng)速度快，節(jié)點連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)僅需30 ms，同時也節(jié)省了電損耗；

（5）高容量。ZigBee可有星狀、片狀、網(wǎng)狀等多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最多可組成65 000個節(jié)點的大網(wǎng)，具有超高的網(wǎng)絡(luò)容量。

智能家居系統(tǒng)的調(diào)控信號數(shù)據(jù)量相對較小，傳輸速率要求不高，低成本、短延時的ZigBee技術(shù)在智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用中體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。

2 總體設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

萬能遙控器是智能家居系統(tǒng)中的重要組成部分。市面上目前已有手機(jī)萬能遙控器的相關(guān)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品主要是運用相關(guān)硬件與手機(jī)的USB接口、藍(lán)牙或者耳機(jī)接口相連，再通過配套軟件來實現(xiàn)紅外發(fā)射功能。這樣，盡管可以達(dá)到遙控目的，但勢必會造成手機(jī)原有功能（即耳機(jī)接入、藍(lán)牙或者USB數(shù)據(jù)傳輸）暫時被擱置，我們以此為突破點，將原有手機(jī)、軟件與外接設(shè)備做成一個整體，通過另一臺移動設(shè)備經(jīng)特定軟件與該手機(jī)相溝通，通過控制該“中介手機(jī)”來實現(xiàn)萬能遙控的目的。圖1所示是本設(shè)計的設(shè)計思路圖。

2.2 硬件部分

為了實現(xiàn)用手機(jī)萬能遙控，需要在現(xiàn)有的無紅外功能的智能手機(jī)以外添加一個硬件模塊，從而達(dá)到通過發(fā)射紅外線控制電器的目的。

通常，智能手機(jī)可進(jìn)行信息輸出的接口是USB接口和耳機(jī)接口。但是，不同品牌與型號的手機(jī)，其USB接口的型號與形狀都不盡相同，典型的如iPhone的USB接口——扁長條形的30-pin接口，而Samsung手機(jī)的USB 接口則比普通Android手機(jī)短。因此USB接口若作為外接紅外設(shè)備的連接口，則需要多種型號，通用性低，制作難度加大。

相反，耳機(jī)接口對于絕大多數(shù)智能手機(jī)來說，口徑基本一致。若采用耳機(jī)接口作為硬件設(shè)備連接點輸出控制信號，那么，適應(yīng)性或通用性比USB接口好得多。經(jīng)比較，本課題采用耳機(jī)接口作為控制紅外信號發(fā)射的硬件部分的連接口。

該硬件部分的輸入端直接連在智能手機(jī)的耳機(jī)接口處，它的功能是將該接口處輸出的含有高低電壓信息的信號轉(zhuǎn)化為符合一定編碼規(guī)律和標(biāo)準(zhǔn)的紅外遙控信號。

本課題會將上述硬件與手機(jī)看成一個整體，作為紅外信號發(fā)射的中介，而另一臺移動設(shè)備通過相應(yīng)軟件對該中介進(jìn)行控制。

該設(shè)計優(yōu)點是保留了原移動設(shè)備的完整功能，缺點是同時也增加了成本。圖2所示是其硬件設(shè)計框圖。

2.3 軟件部分

2.3.1 中介平臺部分軟件

該軟件部分通過使用智能手機(jī)Android操作系統(tǒng)作為平臺，在此基礎(chǔ)上編寫相應(yīng)軟件，從而操縱紅外線的發(fā)射模塊。該軟件部分所實現(xiàn)的功能如下：

（1）遙控器面板的選擇和繪制；

（2）音頻電壓信號從耳機(jī)接口的輸出；

（3）遙控器面板上的按鍵觸發(fā)后有其對應(yīng)的音頻輸出信號，該信號應(yīng)與要發(fā)出的紅外遙控信號相匹配。

2.3.2 移動設(shè)備部分軟件

該軟件部分使用智能手機(jī)iOS/Android系統(tǒng)作為平臺，在此基礎(chǔ)上編寫相應(yīng)軟件，從而操控中介手機(jī)來實現(xiàn)紅外發(fā)射，達(dá)到萬能遙控的目的。本移動設(shè)備的運行實現(xiàn)設(shè)計如圖3所示，其軟件部分所實現(xiàn)的功能如下：

（1）遙控器面板的選擇和繪制；

（2）移動設(shè)備與中介手機(jī)畫面同步；

（3）移動設(shè)備上的操作可同步化控制中介手機(jī)，從而實現(xiàn)萬能遙控；

（4）iOS系統(tǒng)與Android系統(tǒng)軟件的相互溝通。

3 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)今科技發(fā)展的主流趨勢，是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展的戰(zhàn)略制高點之一，據(jù)估計，2016年的總產(chǎn)值將超過一萬億元。

本課題是在原有手機(jī)萬能遙控器外接產(chǎn)品的基礎(chǔ)上的再研究與創(chuàng)新，雖增加了設(shè)計成本與軟件設(shè)計的復(fù)雜度，但同時也給用戶的使用提供了便捷，相對完整的保留了移動設(shè)備原有功能，提高了技術(shù)含量，可增加市場競爭力，升級了智能家居的用戶體驗，適應(yīng)了今后物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需要，具有很大的發(fā)展空間。

參考文獻(xiàn)

[1]工信部電信研究院.物聯(lián)網(wǎng)白皮書（2011）[R].中國公共安全（綜合版），2012（3）：3.

[2]陳家奇.移動設(shè)備與家電設(shè)備互聯(lián)技術(shù)研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2012.

[3]陶在紅，楊宇，常建華.基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（23）：17-20.

[4]程靜濤.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[5]應(yīng)金輝，張珣，應(yīng)國德.智能家居遠(yuǎn)程控制的信息安全研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013，3（9）：61-64.