一种物联网智能家居系统的研究_俞文俊

database servers based on SQL Server 2005 database management system is conducting through home gateway． The Web applying ASP． NET
technology is structured in Web server，the data interaction with database server is conducted by using ADO． NET technology． The users can ac-
0 引言
术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术和音 视频技术，实现家居设备的集成，从而构建高效的住宅
为了满足社会对生产、生活各个环节不断增长的 设施与家庭日程事务的管理系统，满足用户对家居的
智能化、便捷化的要求，物联网（ internet of things，IoT） 安全性、舒适性需求。
伴随着电信技术、互联网技术和 IT 技术的发展融合应 运而生。所谓物联网就是指在物理世界的实体中部署
然后，将上述监控 PC 机通过 WiFi 或以太网，与 Internet 路由器相连接组成家庭智能网关。其中，PC 机在 数据下行侧与无线传感网络中的协调器通过 RS-232 串 行通信接口相连接； 路由器在数据上行侧与数据库服务 器通过互联网相连接，通过“PC 机 + 路由器”的模式实 现了连 接 传 感 网 与 互 联 网 间 的 网 关 功 能。 通 过 上 述 “PC 机 + 路由器”的模式，实现了连接传感网与互联网 间的网关功能。
设备信息及活动状态管理模块由四张表单组成， 分别为节点信息注册表、设备实时活动状态记录表、设 备历史活动记录表和节点类型记录表。
1 系统框架结构设计
具有一定感知能力、计 算 能 力 和 执 行 能 力 的 嵌 入 式 芯 片及软件，使 这 些 实 体 成 为“智 能 物 体 ”，并 通 过 网 络
智能家居系统依据全面感知、可靠传递、智能处理的 功能需求，可划分为感知层、网络层和应用层三个层次。
设施实现信息传输、协 同 和 处 理，最 终 实 现 物 与 物、物 与人之间的通 信［1］。 物 联 网 主 要 具 备 以 下 三 个 特 征 ： ①全面感知，即能够随时随地获取实体的信息； ②可靠 传递，即要求将实体的感知信息实时准确地传递出去； ③智能处理，即要求 对 海 量 的 数 据 信 息 进 行 高 效 的 分 析和处理并实现对实体的智能化控制。
务器进行数据交互。用户可通过 Web 浏览器访问上述 Web 站点，实现对智能家居系统的应用。
关键词： 物联网 智能家居 ZigBee 无线网络 实时数据
中图分类号： TP302． 1
文献标志码： A
Abstract： Smart home is one of the important applicable fields of Internet of Things （ IoT） ． In accordance with the applicable demands and
同时，在 互 联 网 中 搭 建 一 个 基 于 Microsoft SQL Sever 2005 的数据库服务器，用于与上述路由器进行 数据交互，并对这些数据进行智能分析处理和存储； 另 外搭建一个基于． NET 框架的 Web 站点服务器，通过 访问上述数据库服 务 器 获 得 实 时 的 家 居 环 境 数 据 ，并 通过 Web 站点发布给用户； 接着将在 Web 页面上接收 到的用户指令交递给数据库服务器。
首先，对处于感知层的 ZigBee 无线传感网络进行 设计，包括多个 ZigBee 终端 / 路由节点和一个 ZigBee 协调器节点。通过在家居设备节点上搭载上述 ZigBee 通信控制节点，将散 布 在 家 庭 环 境 中 的 各 个 设 备 节 点 组成无线传感网络，从 而 实 现 各 类 家 居 设 备 的 连 接 以 及智能化。其中，ZigBee 协调器负责整个无线传感网 络的组网和路由维 护，并 实 时 地 将 无 线 传 感 网 内 节 点 的感知数据上传给监控用 PC，同时接收并转发由上述 监控用 PC 发送来的控制数据。
features of smart home，the smart home management system based on B / S framework is designed． In this system，information acquisition and
instructions control of various equipment at home are implemented by adopting Zigbee wireless network，and real-time data interaction with the
cess above Web through Web browser to realize the applications of smart home system．
Keywords： Internet of things Smart home ZigBee Wireless network Real-time data
在 ZigBee 无线传感网络的建立过程中，首先需要 由协 调 器 初 始 化 网 络。为 了 避 免 与 其 他 工 作 在 2． 4 GHz设备间的信号干扰，协调器首先在其 16 个信 道中扫描并选择出 一 个 能 量 最 小 的 信 道 ，并 在 其 上 建 立自己的网络。由于信道的个数只有有限的 16 个，所 以在复杂的应用场景中还可能存在多个网络共享一个 信道的情况。ZigBee 协调器通过给网络指定不同的个 域网网络标志符 （ personal area network ID，PANID） 来 解决 这 个 问 题。 PANID 的 设 定 范 围 是 0x0001 ～ 0x3FFF，不同的 ZigBee 网络通过不同的 PANID 来识别 彼此间的区别，避免干扰。当路由器和终端设备启动 之后，在没有被强制指定过 PANID 的情况下，协调器 会定时扫描 16 个信道，在发现网络之后会自动加入，
Байду номын сангаас
图 2 系统硬件架构 Fig． 2 Hardware framwork of system
3 无线组网技术
智能家居领域的组网技术一般可分为有线组网和 无线组网两种技术。目前，有线组网技术应用于电话 线、电力线和以太网等，有线组网都不同程度地存在着 布线繁琐、扩展性差、影响家居美观等缺点。新兴的无 线组网技术在智能家居应用领域中则具有得天独厚的 优势，其无需布线、便 于 安 装 和 后 期 维 护、容 易 迁 移 和 扩展等特点，特别适合灵活的家居应用场景。这些优 势使无线组网技术 正 逐 渐 取 代 有 线 组 网 技 术 ，成 为 智 能家居系统末梢网的主流组网技术［3］。
修改稿收到日期： 2011 － 01 － 04。 第一作者俞文俊，男，1986 年生，现为华东理工大学控制理论与工程 专业在读硕士研究生； 主要从事嵌入式软硬件开发以及 Web 网站开发技 术的研究。
① 感知层 感知层包括各类搭载了 ZigBee 无线通信模块的 家用电器、照明设备和安防设备等，实现对家庭环境的 全面感知，并由智能家庭网关实现感知层和网络层的 数据交互。 ② 网络层 网络层包括一台数据库服务器和一台 Web 站点 服务器。数据库服务器用于同家庭数据网关进行数据 交互； Web 站点服务器通过访问上述数据库服务器获 取数据将信息，并通过 Web 站点发布到互联网上。 ③ 应用层 应用层包括各类搭载了 Web 浏览器的终端设备， 用户可通过 Web 浏览器访问上述站点实现对智能家 居系统的管理和控制。 智能家居系统的总体架构如图 1 所示。
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从而实现家居设备的自组网过程［6］。
4 系统软件设计
4． 1 数据库管理系统设计 位于智能家居系 统 网 络 层 的 数 据 库 服 务 器 ，汇 聚
了由感知层传来的各类节点的数据信息。为了将众多 数据进行有效的归 纳 汇 总，并 且 最 终 实 现 智 能 的 分 析 管理，就需要用到 数 据 库 管 理 系 统。 数 据 库 管 理 系 统 是一个通过数据结构来管理和存储数据的计算机软件 系统，具有数据安全 性 控 制、数 据 完 整 性 控 制、并 发 控 制以及故障发现和 恢 复 等 功 能［7］，能 够 对 存 储 在 计 算 机内的数据集合提供高效、灵活的访问方式。。
在智能家居系统的实际应用环境中，一般对设备节 点的信息采集速率和命令发送速率要求都比较低。典 型情况下，一般要求采集速率和发送速率为十几 kbit / s 左右即可满足要求［4］，但对信息传输的可靠性和网络容 量要求较高。在目前常见的无线组网技术中，与脉冲无 线电、Z-Wave、蓝牙、Wi-Fi 等技术相比，ZigBee 作为一种 低功耗、低成本、低速率和低复杂度的近程无线通信技 术，特别适合智能家居系统的应用特点，并被业界广泛 采用［5］。
一种物联网智能家居系统的研究 俞文俊，等
一种物联网智能家居系统的研究
Research on the Smart Home System Based on Internet of Things
俞文俊1 凌志浩1，2
（ 华东理工大学自动化系1 ，上海 200237； 化工过程先进控制与优化技术教育部重点实验室2 ，上海 200237）
本系统采用 Microsoft SQL Sever 2005 作为数据库 管理系统，并通过设计用户信息管理模块、设备信息及 活动状态管理模块 和 汉 英 互 译 模 块 三 个 模 块 ，来 满 足 智能家居应用的具体需求。
用户信息管理模块包括一张存储用户 ID、用户登 录名、登录密码、访问权限以及计费信息的表单。计费 信息表单以用户 ID 作为主键，每个用户 ID 对应一条 不重复的记录。用户只有在通过认证后才能登陆 Web 站点并获取数据服 务，同 时 依 据 其 具 有 的 访 问 权 限 对 自有设备进行管理 和 控 制，并 且 按 照 一 定 的 计 费 方 法 支付给服务提供商费用。
最终，远程用户通过各类搭载了 Web 浏览器的终端 设备访问 Web 站点，以实现对家居设备的监视和控制。
整个系统主要由无线传感网络、监控用 PC、路由 器、数据库服务器、Web 站点服务器以及各类终端设备 组成，系统硬件架构如图 2 所示。
《自动化仪表》第 32 卷第 8 期 2011 年 8 月
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PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vol. 32 No. 8 August 2011
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图 1 系统框架结构 Fig． 1 Framework of system
2 系统硬件设计
智能家居系统的 硬 件 主 要 包 括 无 线 传 感 网 络 、智 能网关、数据库服务器等的设计，具体介绍如下。
目前，物联网的应用领域主要包括物流监控、污染 监控、智 能 检 索、远 程 医 疗、智 能 交 通 和 智 能 家 居 （ smart home） 等［2］。其中，智能家居因其应用前景广 阔、潜在市场需求巨 大 且 发 展 迅 猛 而 受 到 厂 商 的 广 泛 关注。智能家居就是 以 住 宅 为 平 台，利 用 综 合 布 线 技
摘 要： 智能家居是物联网的一个重要应用领域。针对智能家居的应用需求和特点，设计了一种基于 B / S 架构的智能家居管理系
统。该系统采用 ZigBee 无线网络实现对各类家居设备的信息采集和指令控制，并通过家庭网关与基于 SQL Sever 2005 数据库管理系
统的数据库服务器进行实时数据交互。在 Web 站点服务器中搭建应用 ASP． NET 技术的 Web 站点，采用 ADO． NET 技术与数据库服