0 引言

    物聯(lián)網(wǎng)作為繼互聯(lián)網(wǎng)之后的最具時代意義的科技創(chuàng)新，以“萬物互聯(lián)”為理念，利用先進(jìn)通信、傳感、智能控制技術(shù)，將任何物品連接入網(wǎng)，突破了物與物之間的空間限制，通過與目標(biāo)物品進(jìn)行實時信息交互，實現(xiàn)對目標(biāo)物品的感知、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理^[1]。物聯(lián)網(wǎng)概念的提出及其相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，打破了各行業(yè)發(fā)展的思維局限，尤其為智能家居和汽車行業(yè)的跨時代發(fā)展和革新提供了巨大動力和空間，使得基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居和車聯(lián)網(wǎng)兩大物聯(lián)網(wǎng)的具體應(yīng)用日益成熟完善。

    智能家居概念最早由美國于20世紀(jì)80年代提出，為了使人們的家居生活更加安全、舒適、便捷、智能化、個性化，智能家居在傳統(tǒng)家居的功能上，增加了信息交互功能，使人們可以獲取家居信息并控制家居相關(guān)設(shè)備^[2]。至今，隨著物聯(lián)網(wǎng)的引入，智能家居已經(jīng)進(jìn)入第四代發(fā)展，其突出特點是系統(tǒng)內(nèi)家電無線組網(wǎng)，并接入移動互聯(lián)網(wǎng)，使用戶通過移動終端與家居實時信息交互，實現(xiàn)對家居個性化、智能化的遠(yuǎn)程監(jiān)控^[3]。

    汽車已經(jīng)成為人們出行普遍選擇的代步工具，汽車保有量逐年呈爆發(fā)式增長，使得交通事故、交通擁堵、環(huán)境污染等成為當(dāng)前面臨的嚴(yán)峻問題。車聯(lián)網(wǎng)是融合車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)以及車載移動互聯(lián)網(wǎng)為一體的，基于一致的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，在車與車、車與人、車與環(huán)境之間進(jìn)行無線通信及信息傳輸，實現(xiàn)車輛智能化控制、智能動態(tài)服務(wù)、智能交通管理的一體化網(wǎng)絡(luò)^[4]。車聯(lián)網(wǎng)的日益完善為解決交通出行中的問題提供了更為有效的思路與手段，同時也實現(xiàn)了人們出行過程中的高度信息化，大大提高了人們在行車過程中對時間的利用效率。

    當(dāng)前社會處于高速發(fā)展時期，人們的生活節(jié)奏日益加快，其緊張程度也隨之增高。高效利用時間，使人們可從外歸家即可享受到舒適、個性化的家居生活是智能家居需要達(dá)到的主要目標(biāo)。本文為了有效利用行車時間，使人們可在駕駛過程中便捷有效地對家居進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實現(xiàn)人們歸家即可無縫享受舒適、個性化的家居生活，將車聯(lián)網(wǎng)與智能家居相結(jié)合，設(shè)計融合網(wǎng)聯(lián)車輛的智能家居協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)，基于車輛與家居的實時狀態(tài)信息，通過車載終端實現(xiàn)對家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 網(wǎng)絡(luò)組建方式

    智能家居網(wǎng)絡(luò)是協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)需要內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)將系統(tǒng)內(nèi)各關(guān)鍵部件聯(lián)系起來，從而實現(xiàn)信息的傳遞、交互以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。

    內(nèi)網(wǎng)是智能家居網(wǎng)關(guān)與眾多智能家電相互聯(lián)而形成的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前，智能家居系統(tǒng)的內(nèi)網(wǎng)一般分為有線和無線兩種。有線內(nèi)網(wǎng)多采取總線連接和電力線載波的方式實現(xiàn)。由于多數(shù)家電均可移動，位置不固定，而且室內(nèi)布線繁瑣，使得安裝調(diào)試成本高。故對于含有多智能家電的智能家居系統(tǒng)更適合以無線的方式組建內(nèi)網(wǎng)，無線網(wǎng)絡(luò)可覆蓋室內(nèi)空間，家電可根據(jù)需求在室內(nèi)移動^[5]。在無線組網(wǎng)采用的通信技術(shù)方面，射頻識別作為技術(shù)最簡單、成本最低的無線通信技術(shù)，由于單向通信、易受干擾等缺陷已逐漸被淘汰。目前，智能家電單品多采用WiFi與智能手機(jī)通信，但由于WiFi節(jié)點的高成本和易掉線，故在容納眾多智能家電的智能家居系統(tǒng)中較少應(yīng)用WiFi通信。由于ZigBee技術(shù)通信距離足夠覆蓋室內(nèi)空間，成本、功耗、復(fù)雜度均較低，有自組網(wǎng)能力，采用多通道雙向通信，可容納節(jié)點數(shù)量大，抗干擾和中繼能力都相對較強(qiáng)，在智能家居系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用^[6]。綜上，本文的智能家居協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)采用ZigBee技術(shù)組建。

    傳統(tǒng)的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)多采用計算機(jī)在固定位置實現(xiàn)對家居的監(jiān)控，且為了保證信息交互的實時性，外網(wǎng)大多采用Internet網(wǎng)絡(luò)。而本文以移動的車輛作為監(jiān)控終端，故采用4G移動通信實現(xiàn)信息交互。4G移動通信技術(shù)作為新一代移動通信技術(shù)，仍然支持3G和WLAN多模式通信，可不依靠電纜直接實現(xiàn)信息高速傳遞，4G通信的下行速率高達(dá)100 Mb/s，20倍于3G通信的速率，上傳速度也可達(dá)到20 Mb/s^[7]，其通信性能足夠滿足本文系統(tǒng)的需求。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

    本智能家居監(jiān)控系統(tǒng)由智能家電、智能家居網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)處理及服務(wù)云后臺、智能網(wǎng)聯(lián)車輛構(gòu)成，整體架構(gòu)如圖1所示。

    智能家電在傳統(tǒng)家電基礎(chǔ)上，融合微處理器、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，使其可自動感知室內(nèi)空間狀態(tài)、家電自身狀態(tài)、家電服務(wù)狀態(tài)，且可自動控制及接收用戶控制指令。本系統(tǒng)由于采用ZigBee通信技術(shù)建立內(nèi)網(wǎng)，要求系統(tǒng)內(nèi)的各智能家電需配置ZigBee通信模塊，從而實現(xiàn)與智能家居網(wǎng)關(guān)的信息交互。本系統(tǒng)節(jié)點可擴(kuò)展，可不斷接入帶有ZigBee通信功能的智能家電。

    智能家居網(wǎng)關(guān)是聯(lián)通內(nèi)外網(wǎng)的關(guān)鍵。智能家居網(wǎng)關(guān)對內(nèi)與室內(nèi)所有智能家電節(jié)點建立ZigBee通信連接，對外與數(shù)據(jù)處理及服務(wù)云后臺通過互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)通信模式的轉(zhuǎn)換以及內(nèi)外信息的交互。

    數(shù)據(jù)處理及服務(wù)云后臺具有數(shù)據(jù)儲存、分析處理、智能決策等功能，通過互聯(lián)網(wǎng)實時接收智能家居網(wǎng)關(guān)發(fā)送的智能家電狀態(tài)信息，采用4G接入技術(shù)通過4G移動網(wǎng)絡(luò)與智能網(wǎng)聯(lián)車輛實現(xiàn)信息交互，令車輛內(nèi)用戶實時獲知室內(nèi)家居狀態(tài)，并可根據(jù)用戶指令進(jìn)行智能決策，并對室內(nèi)家居進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

    在行車過程中的用戶通過智能網(wǎng)聯(lián)車輛實現(xiàn)對家居的監(jiān)控，智能網(wǎng)聯(lián)車輛搭載4G通信模塊、GPS定位模塊以及車載終端，用戶在車輛中通過車載終端與本系統(tǒng)進(jìn)行交互，用戶可通過觸屏令車載終端顯示實時的家居信息，并對系統(tǒng)下達(dá)遠(yuǎn)程控制指令。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

2.1 ZigBee通信模塊

    本系統(tǒng)采用ZigBee通信建立內(nèi)網(wǎng)，實現(xiàn)各智能家電與智能家居網(wǎng)關(guān)的信息交互，所以每個智能家電以及智能家居網(wǎng)關(guān)都需要配備ZigBee通信模塊。本系統(tǒng)采用統(tǒng)一的ZigBee通信模塊。

    ZigBee通信模塊的核心射頻芯片為CC2530。該芯片融合了性能優(yōu)良的RF收發(fā)器，適應(yīng)2.4 GHz IEEE 802.15.4，接收靈敏度極高，且抗干擾性能強(qiáng)大，可編程的輸出功率高達(dá)4.5 dBm，只需極少的外接元件和一個晶振即可滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需求；CC2530集成了具有代碼預(yù)取功能的低功耗8051微控制器內(nèi)核，具有32/64/128 KB可編程閃存和8 KB的RAM；芯片具有全面的外設(shè)，包括5通道DMA、多種定時器、8路輸入可配置分辨率的12 bit模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、AES安全協(xié)處理器、2個支持多種串行通信協(xié)議的強(qiáng)大USART、21個通用I/O引腳等^[8]。為了實現(xiàn)ZigBee模塊與各個智能家電和智能家居網(wǎng)關(guān)間的數(shù)據(jù)交互，采用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實現(xiàn)串口連接。

2.2 智能家居網(wǎng)關(guān)

    智能家居網(wǎng)關(guān)是本智能家居協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)通內(nèi)外的關(guān)鍵，是室內(nèi)各智能家電與數(shù)據(jù)處理及服務(wù)云后臺連接的橋梁。智能家居網(wǎng)關(guān)通過ZigBee通信模塊與室內(nèi)各智能家電連接，并通過以太網(wǎng)接口與互聯(lián)網(wǎng)連接，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理及服務(wù)云后臺與各智能家電的信息交互。

    本系統(tǒng)的智能家居網(wǎng)關(guān)采用Atmel公司的AT91SAM7X256作為核心處理器，并外接AT86RF230芯片構(gòu)建以太網(wǎng)接口。圖2為常用的面向AT91SAM7X256的以太網(wǎng)接口電路原理圖^[9]。

    本智能家居網(wǎng)關(guān)需要實現(xiàn)多任務(wù)協(xié)調(diào)運(yùn)行，主要任務(wù)如下：

    （1）通過以太網(wǎng)連接數(shù)據(jù)處理及服務(wù)平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；

    （2）通過ZigBee模塊實現(xiàn)與室內(nèi)各智能家電的數(shù)據(jù)交互；

    （3）通過WiFi與手機(jī)互聯(lián)實現(xiàn)信息交互；

    （4）按照一定的策略對室內(nèi)各智能家電進(jìn)行主動控制；

    （5）儲存記錄設(shè)備動作以及用戶操作事件；

    （6）允許用戶通過HMI對網(wǎng)關(guān)進(jìn)行控制規(guī)則、通信接口等方面的配置，并可查看設(shè)備狀態(tài)。

    為了實現(xiàn)眾多任務(wù)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，基于μC/OS-Ⅱ?qū)崟r嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)智能家居網(wǎng)關(guān)軟件平臺，并合理設(shè)定各個任務(wù)的優(yōu)先級，尤其是與通信相關(guān)的任務(wù)要設(shè)定較高的優(yōu)先級。對于以太網(wǎng)通信任務(wù)，由于其通信速度最高、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量最大，數(shù)據(jù)中可能包含重要的控制指令或安全預(yù)警信息，必須及時處理以防被后續(xù)數(shù)據(jù)覆蓋，故以太網(wǎng)通信任務(wù)的優(yōu)先級最高，其次是ZigBee通信任務(wù)和WiFi通信任務(wù)。

2.3 數(shù)據(jù)處理及服務(wù)云后臺

    數(shù)據(jù)處理及服務(wù)云后臺要求與眾多智能家居協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)的智能家居網(wǎng)關(guān)和智能網(wǎng)聯(lián)車輛關(guān)聯(lián)，為眾多用戶提供多樣化、個性化的智能家居協(xié)同監(jiān)控服務(wù)。

    數(shù)據(jù)處理及服務(wù)云后臺的核心是數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，該服務(wù)器一方面接入互聯(lián)網(wǎng)與智能家居網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息交互，一方面通過4G通信模塊接入4G移動網(wǎng)絡(luò)，與智能網(wǎng)聯(lián)車輛進(jìn)行信息交互。由于訪問云后臺的用戶眾多，所以服務(wù)器必須支持并行運(yùn)行機(jī)制，可同時處理多事件。

    采用VC++開發(fā)數(shù)據(jù)管理軟件平臺，并使其與Oracle數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)。需要實現(xiàn)各網(wǎng)關(guān)傳輸而來的包括視頻數(shù)據(jù)在內(nèi)的智能家電數(shù)據(jù)的儲存和發(fā)送，并建立面向獨(dú)立智能家電控制和多智能家電協(xié)同控制的規(guī)則庫及算法，在接收到用戶需求指令后，實現(xiàn)對智能家居的遠(yuǎn)程控制和面向用戶的智能家居數(shù)據(jù)傳輸，云后臺也可對儲存的智能家居歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2.4 車載終端

    本智能家居協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)主要面向行車過程中的用戶，故開發(fā)車載終端實現(xiàn)用戶對智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本車載終端需要與數(shù)據(jù)處理及服務(wù)云后臺通過4G移動網(wǎng)絡(luò)實時連接，并實時接收車載GPS和車輛總線中的數(shù)據(jù)，采用安卓系統(tǒng)并開發(fā)面向安卓的應(yīng)用軟件實現(xiàn)本系統(tǒng)所需功能，并帶有導(dǎo)航定位、安全輔助、車載娛樂、信息服務(wù)等車載終端普遍應(yīng)用功能^[10]。車載終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    考慮到車載終端的可拓展性，車載終端硬件主要由核心板和底板構(gòu)成，核心板的中央處理器采用三星開發(fā)的適用于智能手機(jī)和平板電腦等多媒體設(shè)備的應(yīng)用處理器S5PV210，該處理器采用了ARM Cortex TM-A8內(nèi)核，主頻可達(dá)1 GHz，有齊全的外圍接口。S5PV210通過各種外圍接口與GPS、CAN通信模塊、4G通信模塊連接，實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)和車輛總線數(shù)據(jù)的接收以及基于4G的無線數(shù)據(jù)交互。底板采用ARM7作為核心處理器，將收音機(jī)、電源管理等非核心功能由底板處理。核心板與底板間采用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

    在安卓系統(tǒng)下，開發(fā)本系統(tǒng)的智能家居協(xié)同監(jiān)控應(yīng)用軟件，該應(yīng)用在4G通信、實時導(dǎo)航信息獲取的基礎(chǔ)上，開發(fā)實現(xiàn)本智能家居協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)的各項功能，令用戶在行車過程中可遠(yuǎn)程對室內(nèi)家居實現(xiàn)監(jiān)控，在達(dá)到目的地時即可立即享受舒適的個性化家居生活。

3 系統(tǒng)功能

    本系統(tǒng)以智能網(wǎng)聯(lián)車輛作為智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，不僅可實現(xiàn)常規(guī)智能家居系統(tǒng)的各項功能，也具備有移動性、協(xié)同性的智能家居監(jiān)控功能。

    系統(tǒng)內(nèi)接入的智能家電均有其各自的控制策略，用戶在車中通過車載終端的應(yīng)用軟件，經(jīng)由4G移動網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)即可對系統(tǒng)內(nèi)的各智能家電進(jìn)行控制，并可實時在車載終端上查詢各智能家電的狀態(tài)信息。

    在安防方面，用戶可通過車載終端實時查看由室內(nèi)各處攝像頭拍攝的視頻圖像，在開啟安防預(yù)警系統(tǒng)后，室內(nèi)安裝的煙霧、燃?xì)?、漏水、門窗安全相關(guān)檢測器開始工作，當(dāng)出現(xiàn)導(dǎo)致人身和財產(chǎn)損失的各類危險時，立即向用戶預(yù)警。

    為了能在用戶到達(dá)家中時無需等待就可享受智能家居服務(wù)，本系統(tǒng)根據(jù)用戶行車過程中的實時導(dǎo)航信息和交通狀態(tài)，估算用戶距離到家的時間，并按照用戶的個性化要求，實時對室內(nèi)家電進(jìn)行控制。對于需要準(zhǔn)備一定時間才能提供服務(wù)的家電，如熱水器、電飯煲、空調(diào)、飲水機(jī)等，根據(jù)用戶的個性化使用需求計算準(zhǔn)備時間，并預(yù)測用戶的到家時間，由系統(tǒng)估計合理的時刻令家電開始工作，并根據(jù)用戶的動態(tài)信息實時調(diào)整對各家電的控制策略。對于可立即提供服務(wù)的家電，比如電燈、窗簾、電視、影音設(shè)備等，系統(tǒng)基于用戶的位置信息，當(dāng)識別出用戶即將到家時，自動對此類家電進(jìn)行控制，從而大大減少用戶的等待時間。

    系統(tǒng)也可根據(jù)用戶以往對智能家電的使用歷史數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析用戶的對各家電的使用習(xí)慣，從而主動通過車載終端詢問用戶是否按照習(xí)慣對目標(biāo)家電進(jìn)行智能控制，從而簡化了用戶的操作流程。而且系統(tǒng)可根據(jù)用戶習(xí)慣定制個性化的智能家居服務(wù)，在征得用戶同意后，若用戶同意執(zhí)行該服務(wù)模式，則一鍵即可使多個智能家電協(xié)同進(jìn)入工作狀態(tài)。例如系統(tǒng)為用戶定制家庭影院模式，則一鍵開啟后，系統(tǒng)協(xié)同控制影音設(shè)備、空調(diào)、窗簾、電燈等家電，在用戶到家時可立即觀看電影放松身心。

4 結(jié)論

    本文面向行車過程中的用戶，將車聯(lián)網(wǎng)與智能家居相結(jié)合，提出了一種基于網(wǎng)聯(lián)車輛的智能家居協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的架構(gòu)、實現(xiàn)方案及典型功能進(jìn)行了說明。提出的系統(tǒng)創(chuàng)新性地引入4G移動通信，并開發(fā)車載終端使智能網(wǎng)聯(lián)車輛成為智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控終端，使車聯(lián)網(wǎng)和智能家居兩大物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)建立起了聯(lián)系，使用戶在長時間的行車過程中也可實現(xiàn)對遠(yuǎn)程智能家居的監(jiān)控，有效利用了用戶的行車時間，并為用戶帶來了及時的、全方位的家居生活服務(wù)。

    在“萬物互聯(lián)”的物聯(lián)網(wǎng)思想和智慧城市建設(shè)的推動下，各個物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)互相交叉與融合將成為未來的發(fā)展趨勢，因而本文所提出的系統(tǒng)具有一定的指導(dǎo)意義和實際應(yīng)用價值。

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