基于物联网的智慧居家系统的设计与应用
基于物联网的智慧居家系统的设计与应用[20200131184333]
摘 要:随着IT技术、互联网技术和计算机技术的不断融合，对物品的智能化识别和管理的需求日益强烈，物联网技术孕育而生。互联网实现了人与人的沟通，而物联网将互联网扩展到物品，实现人与人、人与物乃至物与物的沟通。社会信息化的飞速发展也改变着人们的生活方式，对传统的居住环境提出了更高的要求，人们更为关注一个安全、智能、方便、舒适的居家环境。研究如何将物联网技术应用于居家生活，连接家庭内部与外部，优化人们的生活方式，增强家庭生活的安全性，节省家庭能源等具有重要意义。
本文从研究背景和意义出发，首先阐述了物联网的概念和发展，指出物联网应用的必然性，并针对物联网的应用之一—智慧居家进行研究，介绍了目前国际上智慧家居系统中用到的关键技术及相关标准。其次根据项目要求，对本系统从模式需求和功能需求两方面进行分析，并且根据需求分析给出了系统的总体方案。然后深入介绍了本系统中的各模块的功能，包括一卡通开门、可视对讲、防盗告警、防火告警、防煤气泄漏告警、紧急呼叫、家庭看护、家电遥控和定时功能，详述了每项功能的实现流程。最后，对智慧居家系统未来的发展做了进一步的展望。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:物联网；智慧居家；系统设计
目录
一、绪论 1
(一) 研究背景及意义 1
(二) 相关研究 1
(三) 本文研究内容与组织结构 2
二、物联网智慧居家相关知识 3
（一）物联网相关知识 3
1.概念 3
2.发展现状 3
3.体系结构 5
4.相关技术 5
5.面临的挑战 6
（二）智慧居家相关知识 7
1.概念 7
2.发展现状 8
3.相关技术及协议 9
4.面临的挑战 11
（三）小结 11
三、智慧居家系统分析与设计 13
（一）设计原则 13
（二）系统需求分析 13
1.模式需求 13
2.功能需求 15
3.总体方案设计 16
4.终端设备结构 17
（三）小结 20
四、智慧居家系统功能实现与应用 21
（一）系统实现 21
1．实现流程 21
2．功能页面 21
（二）功能实现 22
1．一卡通开门 22
2．可视对讲 24
3．防盗告警 24
4．防火告警 25
5．煤气泄漏告警 26
6. 紧急呼救 26
7. 家庭看护 27
8. 家电遥控 28
9. 定时控制 28
（三）小结 29
五、总结与展望 29
（一）总结 29
（二）展望 29
六、结束语 30
致 谢 31
参考文献 32
附录 34
附录一 RFID的一卡通门禁系统的原理图 34
附录二 RFID的一卡通门禁系统的源程序 35
一、绪论
(一) 研究背景及意义
随着信息的发展和科技的进步，人们对居家生活的追求已不只停留在高档的家电与富丽的装修上，更是追求其人性化和智能化设计，“智慧居家”正向我们一步步走来。所谓智慧居家，是以住宅为平台，利用先进的计算机技术，通讯技术和控制技术，将与居家生活有关的各种子系统有机结合起来，通过智能化管理，让居家生活更加舒适、安全与节能[1]。
与普通居家相比，智慧居家不仅具有传统的居住功能，而且还由原来的被动静止结构转变为能动的会“思考”的工具。比如我们不用再担心有人会破窗而入，因为门窗一旦有任何异常会自动报警；客厅里的电话不再仅仅是通信的工具，同时可以控制一切电器的开关；即使主人不在家也不用担心会错过来访的客人，门禁就是一个可视频通话的话机……智慧居家旨在提供全方位的信息交换功能，让家居自己“动”起来。
而最近几年物联网概念的提出，给智慧居家系统的实现提供了一项技术支持。2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》[2]。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。同时，报告描绘了“物联网”时代的图景:当司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求等等。
将物联网技术应用于智慧居家，为家庭中的每个物体贴上一个可以被识别的标签，让其具备“思考”的能力和“说话”的能力，使得人与物，物与物之间的沟通成为可能。这对促进居家生活的智能发展具有重要意义。
(二) 相关研究
2005年国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念。目前，多个发达国家已将发展物联网提升为国家战略。温家宝总理2009年在无锡考察传感网产业时对促进物联网发展做出了重要指示：“着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的发动机。”[3]
物联网是在计算机网络的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中，物品能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别(RFID)和传感技术，通过计算机网络实现物品的自动识别和信息的互联与共享。
物联网的应用非常广泛，将物联网技术应用在智慧居家系统的设计中，实现居家设备的自动交流，从而提高居家生活的智能性与舒适性。目前在市场上基于物联网智慧居家的方案还不是很多，但智慧居家技术已经在我国发展了十余年，市场上已有很多方案实现居家的智能，例如基于无线传感网、WCDMA、PSTN、SMS、以太网等等，也有很多学者对其中的子系统做了研究，例如智慧居家灯光系统，安防系统，红外系统，综合布线的设计等等。
现阶段，对于家庭网络中的信息、通信、娱乐和生活4类子网，所包含的各类消费电子产品、通信产品、信息家电及智慧居家等设备之间的互联互通非常有限，这使得它们之间迫切需要一个信息汇聚及核心控制单元，通过该单元以各种有线或无线方式实现子网设备以及子网之间的互联，再以统一的IP方式实现家庭网络与外部网络的互联。
(三) 本文研究内容与组织结构
本文研究重点在于紧扣新兴的物联网技术，研究出一种基于物联网的智慧居家的解决方案。研究如何将物联网的关键技术应用于智慧居家的各个模块中，连接家庭内部终端与外部公网。论文从系统的需求分析入手，根据以人为本的原则，设计一个智慧居家的系统模型，并描述其各功能模块的操作流程和技术实现。由于技术水平与实验条件所限，系统或许存在某些不完善之处，但希望能给物联网的智慧居家应用贡献一份力量。
论文主要分为如下：
绪论。叙述了课题的研究背景和意义，并介绍了本课题的相关研究情况。
物联网智慧居家相关知识。介绍本课题的理论知识，重点介绍了两个部分：一是物联网的相关知识，包括物联网的概念、发展现状、体系结构、相关技术和物联网面临的挑战；二是智慧居家的相关知识，包括智慧居家的概念、发展现状以及相关技术和协议，并分析个各种协议的优缺点以及本文所选择的协议，阐述了家庭物联网应用所面临的挑战。
智慧居家系统分析与设计。对智慧居家系统进行分析，阐述了系统的设计原则，对系统进行需求分析，包括模式需求和功能需求，根据需求分析设计了系统的总体方案，并介绍了系统中所用到的终端设备结构。
智慧居家系统功能实现与应用。介绍智慧居家系统的功能，说明了系统中各项功能的实现方式和实现流程。
总结与展望。总结了本文的主要工作，对智慧居家的未来发展做进一步展望。
二、物联网智慧居家相关知识
（一）物联网相关知识
1.概念
物联网作为一项高新技术产业，几乎是在一夜之间成为人们关注的焦点。2009年1月，IBM首席执行官彭明盛在美国“圆桌会议”上提出“智慧地球”战略，同年8月7日，温家宝总理在视察中科院无锡维纳传感网工程技术研发中心时指出，要把“物联网”发展作为国家战略，在国家重大科技专项中加快推进传感网发展。
那么什么是“物联网”？通俗地讲，“物联网”就是“物与物相连的互联网”，英文为Internet Of Things[4]。严格的讲，物联网的定义为：在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力或执行能力的各种信息传感设备，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现广域或大范围的人与物、物与物之间信息交换需求的互联的网络。
“物联网”概念的问世，打破了之前的传统思维。过去的思路一直是将物体基础设施和IT基础设施分开:一方面是机场、公路、建筑物，而另一方面是数据中心，个人电脑、宽带等。而在“物联网”时代，钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，在此意义上，基础设施更像是一块新的地球工地，世界的运转就在它上面进行，其中包括经济管理、生产运行、社会管理乃至个人生活[5]。
2.发展现状
美国权威咨询机构Forrester Research公司预测，到2020年，世界上物物互联业务与现有人人互联业务之比将达到30：1，物联网被称为下一个万亿级的通信业务，被誉为引领信息产业的第三次浪潮[5]。IBM前首席执行官郭士纳曾提出一个重要的观点，认为计算模式每隔15年发生一次变革。这一判断像摩尔定律一样准确，人们把它称为“十五年周期定律”。1965年前后发生的变革以大型机为标志，1980年前后以个人计算机的普及为标志，而1995年前后则发生了互联网革命。而今天，“智慧地球”策略将掀起“互联网”浪潮之后的又一次科技革命[6]。
物联网发展经历了如下历程：
2005年11月，国际电信联盟 (ITU)发布了《ITU互联网报告2005：物联网》报告，正式提出了物联网概念，指出无所不在的“物联网”通信时代即将来临。
2009年1月，IBM首席执行官彭明盛提出“智慧的地球”构想，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施，奥巴马对此给予了积极回应，并上升至美国的国家战略，在世界范围内引发轰动。
2009年2月，IBM大中华区首席执行官钱大群在2009 IBM论坛上公布了名为“智慧的地球”的最新策略。提出了智慧地球的六大应用，分为为智慧的电力、智慧的医疗、智慧的城市、智慧的交通、智慧的供应链和智慧的银行[7]。
2009年8月，温家宝在无锡视察中科院微纳传感中心时指出，要“着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的发动机。”
2009年9月，传感器网络标准工作组成立大会暨“感知中国”高峰论坛在北京举行，会议提出传感网发展相关政策。同月，在中国通信业发展高层论坛上，中国移动总裁王建宙高调表示：物联网商机无限，中国移动将以开放的姿态，与各方竭诚合作[8]。
同时，美国斯坦福国际研究预测物联网技术发展路线，报告指出：从2000年～2025年，物联网将经历4个发展阶段。第一阶段，随着物流需求的急速增长，RFID标签可简化信息传递与清查，达到提高效率、预防损失的作用，其中物联网的角色为供应链助手。第二阶段，随着相关技术成本的降低，物联网将进入第二波的快速推广时期，其中主要用于监视、安全、医疗、交通、食品和文档管理等领域，起到市场直销应用的作用。第三阶段，技术发展至室内装置，物联网可对人体与物品进行定位，起到任意定位作用。第四阶段，相关装置日趋小型化。电源效率不断提高，可用波谱范围不断扩大，物联网可进行远程操作，检测和控制远程物品。随着软件和先进传感器的融合，物理世界网络逐渐形成[11]。物联网技术路线图如图2-1所示。
摘 要:随着IT技术、互联网技术和计算机技术的不断融合，对物品的智能化识别和管理的需求日益强烈，物联网技术孕育而生。互联网实现了人与人的沟通，而物联网将互联网扩展到物品，实现人与人、人与物乃至物与物的沟通。社会信息化的飞速发展也改变着人们的生活方式，对传统的居住环境提出了更高的要求，人们更为关注一个安全、智能、方便、舒适的居家环境。研究如何将物联网技术应用于居家生活，连接家庭内部与外部，优化人们的生活方式，增强家庭生活的安全性，节省家庭能源等具有重要意义。
本文从研究背景和意义出发，首先阐述了物联网的概念和发展，指出物联网应用的必然性，并针对物联网的应用之一—智慧居家进行研究，介绍了目前国际上智慧家居系统中用到的关键技术及相关标准。其次根据项目要求，对本系统从模式需求和功能需求两方面进行分析，并且根据需求分析给出了系统的总体方案。然后深入介绍了本系统中的各模块的功能，包括一卡通开门、可视对讲、防盗告警、防火告警、防煤气泄漏告警、紧急呼叫、家庭看护、家电遥控和定时功能，详述了每项功能的实现流程。最后，对智慧居家系统未来的发展做了进一步的展望。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:物联网；智慧居家；系统设计
目录
一、绪论 1
(一) 研究背景及意义 1
(二) 相关研究 1
(三) 本文研究内容与组织结构 2
二、物联网智慧居家相关知识 3
（一）物联网相关知识 3
1.概念 3
2.发展现状 3
3.体系结构 5
4.相关技术 5
5.面临的挑战 6
（二）智慧居家相关知识 7
1.概念 7
2.发展现状 8
3.相关技术及协议 9
4.面临的挑战 11
（三）小结 11
三、智慧居家系统分析与设计 13
（一）设计原则 13
（二）系统需求分析 13
1.模式需求 13
2.功能需求 15
3.总体方案设计 16
4.终端设备结构 17
（三）小结 20
四、智慧居家系统功能实现与应用 21
（一）系统实现 21
1．实现流程 21
2．功能页面 21
（二）功能实现 22
1．一卡通开门 22
2．可视对讲 24
3．防盗告警 24
4．防火告警 25
5．煤气泄漏告警 26
6. 紧急呼救 26
7. 家庭看护 27
8. 家电遥控 28
9. 定时控制 28
（三）小结 29
五、总结与展望 29
（一）总结 29
（二）展望 29
六、结束语 30
致 谢 31
参考文献 32
附录 34
附录一 RFID的一卡通门禁系统的原理图 34
附录二 RFID的一卡通门禁系统的源程序 35
一、绪论
(一) 研究背景及意义
随着信息的发展和科技的进步，人们对居家生活的追求已不只停留在高档的家电与富丽的装修上，更是追求其人性化和智能化设计，“智慧居家”正向我们一步步走来。所谓智慧居家，是以住宅为平台，利用先进的计算机技术，通讯技术和控制技术，将与居家生活有关的各种子系统有机结合起来，通过智能化管理，让居家生活更加舒适、安全与节能[1]。
与普通居家相比，智慧居家不仅具有传统的居住功能，而且还由原来的被动静止结构转变为能动的会“思考”的工具。比如我们不用再担心有人会破窗而入，因为门窗一旦有任何异常会自动报警；客厅里的电话不再仅仅是通信的工具，同时可以控制一切电器的开关；即使主人不在家也不用担心会错过来访的客人，门禁就是一个可视频通话的话机……智慧居家旨在提供全方位的信息交换功能，让家居自己“动”起来。
而最近几年物联网概念的提出，给智慧居家系统的实现提供了一项技术支持。2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》[2]。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。同时，报告描绘了“物联网”时代的图景:当司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求等等。
将物联网技术应用于智慧居家，为家庭中的每个物体贴上一个可以被识别的标签，让其具备“思考”的能力和“说话”的能力，使得人与物，物与物之间的沟通成为可能。这对促进居家生活的智能发展具有重要意义。
(二) 相关研究
2005年国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，正式提出了“物联网”的概念。目前，多个发达国家已将发展物联网提升为国家战略。温家宝总理2009年在无锡考察传感网产业时对促进物联网发展做出了重要指示：“着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的发动机。”[3]
物联网是在计算机网络的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中，物品能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。其实质是利用射频自动识别(RFID)和传感技术，通过计算机网络实现物品的自动识别和信息的互联与共享。
物联网的应用非常广泛，将物联网技术应用在智慧居家系统的设计中，实现居家设备的自动交流，从而提高居家生活的智能性与舒适性。目前在市场上基于物联网智慧居家的方案还不是很多，但智慧居家技术已经在我国发展了十余年，市场上已有很多方案实现居家的智能，例如基于无线传感网、WCDMA、PSTN、SMS、以太网等等，也有很多学者对其中的子系统做了研究，例如智慧居家灯光系统，安防系统，红外系统，综合布线的设计等等。
现阶段，对于家庭网络中的信息、通信、娱乐和生活4类子网，所包含的各类消费电子产品、通信产品、信息家电及智慧居家等设备之间的互联互通非常有限，这使得它们之间迫切需要一个信息汇聚及核心控制单元，通过该单元以各种有线或无线方式实现子网设备以及子网之间的互联，再以统一的IP方式实现家庭网络与外部网络的互联。
(三) 本文研究内容与组织结构
本文研究重点在于紧扣新兴的物联网技术，研究出一种基于物联网的智慧居家的解决方案。研究如何将物联网的关键技术应用于智慧居家的各个模块中，连接家庭内部终端与外部公网。论文从系统的需求分析入手，根据以人为本的原则，设计一个智慧居家的系统模型，并描述其各功能模块的操作流程和技术实现。由于技术水平与实验条件所限，系统或许存在某些不完善之处，但希望能给物联网的智慧居家应用贡献一份力量。
论文主要分为如下：
绪论。叙述了课题的研究背景和意义，并介绍了本课题的相关研究情况。
物联网智慧居家相关知识。介绍本课题的理论知识，重点介绍了两个部分：一是物联网的相关知识，包括物联网的概念、发展现状、体系结构、相关技术和物联网面临的挑战；二是智慧居家的相关知识，包括智慧居家的概念、发展现状以及相关技术和协议，并分析个各种协议的优缺点以及本文所选择的协议，阐述了家庭物联网应用所面临的挑战。
智慧居家系统分析与设计。对智慧居家系统进行分析，阐述了系统的设计原则，对系统进行需求分析，包括模式需求和功能需求，根据需求分析设计了系统的总体方案，并介绍了系统中所用到的终端设备结构。
智慧居家系统功能实现与应用。介绍智慧居家系统的功能，说明了系统中各项功能的实现方式和实现流程。
总结与展望。总结了本文的主要工作，对智慧居家的未来发展做进一步展望。
二、物联网智慧居家相关知识
（一）物联网相关知识
1.概念
物联网作为一项高新技术产业，几乎是在一夜之间成为人们关注的焦点。2009年1月，IBM首席执行官彭明盛在美国“圆桌会议”上提出“智慧地球”战略，同年8月7日，温家宝总理在视察中科院无锡维纳传感网工程技术研发中心时指出，要把“物联网”发展作为国家战略，在国家重大科技专项中加快推进传感网发展。
那么什么是“物联网”？通俗地讲，“物联网”就是“物与物相连的互联网”，英文为Internet Of Things[4]。严格的讲，物联网的定义为：在物理世界的实体中部署具有一定感知能力、计算能力或执行能力的各种信息传感设备，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，从而实现广域或大范围的人与物、物与物之间信息交换需求的互联的网络。
“物联网”概念的问世，打破了之前的传统思维。过去的思路一直是将物体基础设施和IT基础设施分开:一方面是机场、公路、建筑物，而另一方面是数据中心，个人电脑、宽带等。而在“物联网”时代，钢筋混凝土、电缆将与芯片、宽带整合为统一的基础设施，在此意义上，基础设施更像是一块新的地球工地，世界的运转就在它上面进行，其中包括经济管理、生产运行、社会管理乃至个人生活[5]。
2.发展现状
美国权威咨询机构Forrester Research公司预测，到2020年，世界上物物互联业务与现有人人互联业务之比将达到30：1，物联网被称为下一个万亿级的通信业务，被誉为引领信息产业的第三次浪潮[5]。IBM前首席执行官郭士纳曾提出一个重要的观点，认为计算模式每隔15年发生一次变革。这一判断像摩尔定律一样准确，人们把它称为“十五年周期定律”。1965年前后发生的变革以大型机为标志，1980年前后以个人计算机的普及为标志，而1995年前后则发生了互联网革命。而今天，“智慧地球”策略将掀起“互联网”浪潮之后的又一次科技革命[6]。
物联网发展经历了如下历程：
2005年11月，国际电信联盟 (ITU)发布了《ITU互联网报告2005：物联网》报告，正式提出了物联网概念，指出无所不在的“物联网”通信时代即将来临。
2009年1月，IBM首席执行官彭明盛提出“智慧的地球”构想，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施，奥巴马对此给予了积极回应，并上升至美国的国家战略，在世界范围内引发轰动。
2009年2月，IBM大中华区首席执行官钱大群在2009 IBM论坛上公布了名为“智慧的地球”的最新策略。提出了智慧地球的六大应用，分为为智慧的电力、智慧的医疗、智慧的城市、智慧的交通、智慧的供应链和智慧的银行[7]。
2009年8月，温家宝在无锡视察中科院微纳传感中心时指出，要“着力突破传感网、物联网关键技术，及早部署后IP时代相关技术研发，使信息网络产业成为推动产业升级、迈向信息社会的发动机。”
2009年9月，传感器网络标准工作组成立大会暨“感知中国”高峰论坛在北京举行，会议提出传感网发展相关政策。同月，在中国通信业发展高层论坛上，中国移动总裁王建宙高调表示：物联网商机无限，中国移动将以开放的姿态，与各方竭诚合作[8]。
同时，美国斯坦福国际研究预测物联网技术发展路线，报告指出：从2000年～2025年，物联网将经历4个发展阶段。第一阶段，随着物流需求的急速增长，RFID标签可简化信息传递与清查，达到提高效率、预防损失的作用，其中物联网的角色为供应链助手。第二阶段，随着相关技术成本的降低，物联网将进入第二波的快速推广时期，其中主要用于监视、安全、医疗、交通、食品和文档管理等领域，起到市场直销应用的作用。第三阶段，技术发展至室内装置，物联网可对人体与物品进行定位，起到任意定位作用。第四阶段，相关装置日趋小型化。电源效率不断提高，可用波谱范围不断扩大，物联网可进行远程操作，检测和控制远程物品。随着软件和先进传感器的融合，物理世界网络逐渐形成[11]。物联网技术路线图如图2-1所示。
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