物联网在数字家庭领域的发展与应用.doc

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1、成绩 浙江树人大学信息科技学院无线通信技术与应用（课程论文） （ 2013-2014 学年 第二学期）课程名称： 无线通信技术与应用 班级： 113 学号： 1 姓名： 范阳洋 指导教师： 许森 完成时间：2014 年 6 月 1 日物联网在数字家庭领域的发展与应用 学生：范阳洋 指导教师：许森 (信息科技学院 电子信息工程113班级，学号1)摘要： 物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，它通过各种信息传感设备将现实世界的各种物件连通，形成互连的网络。本文对物联网的现状与发展作了一定的研究，并详细论述了其在数字家庭系统中的应用。 关键词：物联网数字家庭系统应用 物联网是

2、在计算机互联网的基础上，利用感知(RFID、射频识别技术)、无线数据通信等技术，构造的一个覆盖万物的“InternetofThings”。在这个网络中的所有物体可以彼此进行自主“交流”，不需要人的干预。其本质是利用RFID技术，通过计算机互联网实现物品的自动识别和信息的互联与共享。 物联网的问世，打破了人们的传统思维。过去人们一直将物理基础设施与IT基础设施分开。一方面是机场、公路以及建筑物等，另一方面则是数据中心、个人电脑和宽带等，它们之间不存在关联或者关系非常稀疏。而在物联网时代，所有的物品，包括电缆、芯片和宽带等被整合为统一的基础设施，世界就在物联网上开展各种活动。因此，美国权威机构Fo

3、rrester预测：到2020年世界上物物互联的业务和人与人通信的业务相比，将达到30：1。物联网被称为是一个万亿级的通信业务。 关键词： 物联网，数字家庭，射频信号发射器引言：数字家庭作为家庭信息化的实现方式，已成为社会信息化发展的重要组成部分。从个人、公共服务以及政府需求来看，凸显出发展数字家庭产业的迫切性。在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网将是数字家庭产业发展过程中一个比较现实的突破口，对数字家庭产业的发展具有重大意义。物联网技术的发展与成熟，使得跨产业、跨领域技术和业务融合成为现实，并成为数字家庭行业的产业化加速器。在物联网给数字家庭产业带来机遇的同时，物联网和数字

4、家庭所面临的问题同样是不可忽视的，挑战与机遇并存。 1.什么是物联网1.1物联网的概念物联网的英文名称为“Internet of Things”，简称：IOT。从字面上解释，物联网就是“物物相连的互联网”。可以从两方面去理解：其一，物联网是在互联网基础之上的延伸和扩展的一种网络。物联网的核心和基础仍然是互联网；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。关于物联网的定义到现在还没有一个统一的定义。有一个较为普遍认同的定义是物联网通过射频识别(RnD)装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等各种信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，

5、以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。究其来源，其实只不过是在20多年前，提出的“泛在计算”框架下的一个小分支。但是物联网的第一次提出源于1999年，美国麻省理工学院成立Au“rID研究中心进行RFID技术的研发，将RFlD与互联网结合，提出了产品电子代码(EPC)解决方案。这是物联网的雏形，一直到现在为止，RFID的发展还是物联网发展的重要部分。2003年，美国技术评论提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。2005年。在突尼斯举行的世界电联报告中明确提出了“物联网”的概念，国际电信联盟(ITU)发布了ITU互联网报告2005：物联网。近几年金融危机之后的复苏时期物

6、联网概念迅速风行，受到各国政府的重视。我国的国家中长期科学与技术发展规划(2006-2020年)和“新一代宽带移动无线通信网”重大专项中均将物联网列入重点研究领域。11.2物联网的体系结构物联网应该具备三个特征，一是全面感知，即利用RFID、传感器、二维码等随时随地获取物体的信息；二是可靠传递，通过各种电信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去；三是智能处理，利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对海量数据和信息进行分析和处理，对物体实施智能化的控制。7在业界，物联网大致被公认为有四个层次，底层是用来感知数据的感知层，第二层是数据传输的传输层，第三层是服务管理层，第四层是最上面则

7、是内容应用层。我在这里认为物联网分为五层次，底层是用来感知的传感器层，第二层是数据收集的网络信息汇聚层，第三层数据收集过来加以分析的信息分析层，第四层分析过的数据传输的信息传输层，最上面则是应用层。传感器层是物联网的皮肤和五官识别物体，采集信息。传感器层包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS、传感器、终端、传感器网络等，主要是识别物体，采集信息，与人体结构中皮肤和五官的作用相似。网络信息汇聚层是物联网的神经中枢和大脑信息数据的收集。网络信息汇聚层包括通信与互联网的融合网络、网络管理中心、信息中心和智能汇聚中心等。信息分析层是将网络信息收集的信息数据加以分析，ZigBee技

8、术网络层的路由算法分析。数据传输层将网络信息汇聚层获取的信息进行传递，经过有线网络，无线网络的传输，类似于人体结构中的神经中枢和大脑。应用层是物联网的“社会分工”与行业需求结合，实现广泛智能化。应用层是物联网与行业专业技术的深度融合，与行业需求结合，实现行业智能化，这类似于人的社会分工，最终构成人类社会。2.物联网的核心技术物联网核心技术包括射频识别（RFID）装置、WSN网络、红外感应器、传感器、全球定位系统、Internet与移动网络，网络服务，行业应用软件。在这些技术中，又以底层嵌入式设备芯片开发最为关键，引领整个行业的上游发展。其中物联网核心技术技术里面比较重要的是：RFID技术，WS

9、N技术，传感器。2.1 RFID技术RFID(Radio Frequency Identification)，即射频识别，俗称电子标签。 RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。 RFID是一种简单的无线系统，只有两个基本器件，该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器（或阅读器）和很多应答器（或标签）组成。一套完整的RFID系统, 是由阅读器(Reader)与电子标签(TAG)也就是所谓的应答器(Transponder)及应用

10、软件系统三个部份所组成, 其工作原理是Reader 发射一特定频率的无线电波能量给Transponder, 用以驱动 Transponder电路将内部的数据送出，此时 Reader 便依序接收解读数据, 送给应用程序做相应的处理。2.2 WSN技术WSN是wireless sensor network的简称，即无线传感器网络。无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和

11、观察者构成了无线传感器网络的三个要素。2.3 传感器温度传感器是一种将温度变化转换为电量变化装置。将温度变化转换为热电势变化的称热电偶传感器。将温度变化转换为电阻变化的称为热电阻传感器；金属热电阻式传感器简称为热电阻，半导体热电阻式传感器简称为热敏电阻。温度传感在工业生产、科学研究、民用生活等许多领域得到广泛应用。电阻式传感器广泛被用于-200960范围内的温度。是利用导体或半导体的电阻随温度变化而变化的性质而工作的，用仪表测量出热电阻的阻值变化，从而得到与电阻值对应的温度值。电阻式传感器分为金属热电阻传感器和半导体热电阻传感器两大类。前者称为热电阻，后者称为热敏电阻。对于热敏电阻，需要了解以

12、下几点：（1）测温原理及特性NTC热敏电阻研制的较早，也较成熟。最常见的是由金属氧化物组成。根据不同的用途，NTC又可以分为两大类。第一类用于测量温度。它的电阻值与温度之间呈负的指数关系。第二类为负的突变型，当其温度上升到某设定值时，其电阻值突然下降，多用于各种电子电路中抑制浪涌电流，起保护作用。典型的PTC热敏电阻通常是在钛酸钡陶瓷中加入施主杂质以增大电阻温度系数。（2）热敏电阻的应用热敏电阻具有尺寸小、响应速度快、阻值大、灵敏度高等特点，因此它在许多领域被广泛应用。（3）热敏电阻的温度补偿热敏电阻可以在一定的温度范围内对某些元件进行温度补偿。热敏电阻可以用于温度控制：温度传感器的作用是将温

13、度经过热敏电阻Rt转换为电压信号。3.系统框架结构设计数字家庭系统依据全面感知、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。3.1感知层 感知层包括各类搭载了ZiBee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。3.2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信息，并通过 Web 站点发布到互联网上。3.3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

14、器访问上述站点实现对数字家庭系统的管理和控制。数字家庭系统的总体架构如图 1 所示。图1 系统框架结构 图2 系统硬件架构4.系统硬件设计数字家庭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。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

15、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。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。同时，在互联网中搭建一个基于 Microsoft SQLSever 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

16、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。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。5.系统软件设计位于数字家庭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

17、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，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。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，来满足数字家庭应用的具体需求。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

18、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。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。 节点信息注册表，它用于保存节点的静态描述信息，包括节点 ID、节点类型和节点所有者等信息。该表单使用节点 ID 作为主键，每个节点通过节点 ID 对应一条不重复的记录，用于记录节点的各种基本属性。 设备实时活动状态记录表，它用于保存节点的动态描述信息，即节点当前的活动状态信息，包括节点ID、当前指令执行内容、当前指令执行状态和当前节点活动状态。该表使用节点 I

19、D 作为主键，每个装置节点通过节点 ID 对应一条不重复的记录，并根据感知层发送上来的信息对其进行实时更新。 设备历史活动记录表，它用于保存节点的历史活动信息，包括节点 ID、节点历史事件时间记录和节点历史事件内容记录。该表使用节点 ID 作为主键，每个装置节点通过节点 ID 对应多条不重复的历史活动记录，以备数据库管理系统访问调取。 节点类型记录表，它用于保存不同类型节点的能力描述信息和指令集信息，包括节点类型和节点可执行指令。该表单以节点类型为主键，每个节点类型对应多条不重复的记录，每条记录对应一条不同的可执行指令，如照明类型节点需要有开关指令和亮度调节指令，空调设备需要有模式控制和温度设

20、定等指令。在感知层和网络层的信息及指令交互过程中，为了便于各个功能模块对数据进行处理以及转发操作，系统内部均采用了英语作为交互语言； 而在通过 Web页面向用户呈现节点状态及接收用户控制指令时又需要将上述信息进行汉化，故设计了英汉互译模块。英汉互译模块包括一张用于英汉互译的汉英字符串互译对照表。该表单以英语字符串为主键，每条英语字符串对应一条相应语义的汉语字符串。为了在应用层向用户提供更为直观的数据服务，需要将这些数据在 Web 页面显示时进行汉化。6. 实现功能无线智能调光开关：该开光可直接取代家中的墙壁开光面板，通过它不仅可以像正常开光一样使用，更重要的是它已经和家中的所有物联网设备自动组

21、成了一个无线传感控制网络，可以通过无线网关向其发出开关、调光等指令。其意义在于主人离家后无需担心家中所有的电灯是否忘了关掉，只要主人离家，所有忘关的电灯会自动关闭。或者在你睡觉时你无需逐个房间去检查灯是否开着，你需要做的只需按下装在床头的睡眠按钮，所有灯光会自动关闭，同时你夜间起床时，灯光会自动调节至柔和，从而保证睡眠的质量。无线温湿度传感器：主要用于探测室内、室外温湿度。虽然绝大多数空调都有温度探测功能，但由于空调的体积限制，它只能探测到出风口空调附近的温度，这也正是很多消费者感觉感觉其温度不准的重要原因。有了无线温湿度探测器，你就可以确切地知道室内准确的温湿度。其现实意义在于当室内温度过高

22、或过低时能够提前启动空调调节温度。比如当你在回家的路上，家中的无线温湿度传感器探测出房间温度过高则会启动空调自动降温，等你回家时，家中已经是一个宜人的温度了。另外无线温湿度传感器对于你早晨出门也有着特别意义，当你呆在空调房间时，你对户外的温度是没有感觉的，这时候装在墙壁外的温湿度传感器就可以发挥作用，它可以告诉你现在户外的实时温度，根据这个准确温度你就可以决定自己的穿着了，而不会出现出门后才穿多或者穿少的尴尬了。无线智能插座：主要用于控制家电的开关，比如通过它可以自动启动排气扇排气，这在炎热的夏天对于密闭的车库是一个有趣的应用。当然它还可以控制任何你想控制的家电，只要将家电的插头插上无线智能插

23、座即可，比如饮水机、电热水器等等。无线红外转发器：这个产品主要是用于家中可以被红外遥控器控制的设备，比如空调、电动窗帘、电视等等。通过无线红外转发器，你可以远程无线遥控空调，你也可以不用起床就关闭窗帘等。这是个很有意义的产品，它可以将传统的家电立即转换成智能家电。无线红外防闯入探测器：这个产品主要用于防非法入侵，比如当你按下床头的无线睡眠按钮后，关闭的不仅是灯光，同时它也会启动无线红外防闯入探测器自动设防，此时一旦有人入侵就会发出报警信号并可按设定自动开启入侵区域的灯光吓退入侵者。或者当你离家后它会自动设防，一旦有人闯入，会通过无线网关自动提醒你的手机并接受你手机发出的警情处理指令。无线空气质

24、量传感器：该传感器主要探测卧室内的空气质量是否混浊，这对于要回家休息的你很有意义，特别是有婴幼儿的家庭尤其重要。它通过探测空气质量告诉你目前室内空气是否影响健康，并可通过无线网关启动相关设备优化调节空气质量。无线门铃：这种门铃对于大户型或数字家庭很有价值。出于安全考虑，大多数人睡觉时会关闭房门，此时有人来访按下门铃，在房间内很难听到铃声。这种无线门铃能够将按铃信号传递给床头开光提示你有人造访。另外在家中无人时，按门铃的动作会通过网关传递给你的手机，而这对你了解家庭的安全现状和来访信息非常重要。无线门磁、窗磁：主要用于防入侵。当你在家时，门、窗磁会自动处于撤防状态，不会触发报警，当你离家后，门、

25、窗磁会自动进入布防状态，一旦有人开门或开窗就会通知你的手机并发出报警信息。与传统的门窗磁相比，无线门窗磁无需布线，装上电池即可工作，安装非常方便，安装过程一般不超过2分钟。另外对于有保险柜的家庭来说，这种传感器还能够侦测并记录下保险柜每次被打开或者关闭的时间并及时通知授权手机。太阳能无线智能阀门：这是通过太阳能供电的无线浇灌系统。一般工作流程是土壤湿度传感器将土壤含水情况发送给无线网关，一旦土壤缺水，无线网关就会发出控制指令给无线智能阀门通知供水，同时将供水时间和供水量传递给网关，并通过网关保存在手机或其它设备上。8无线床头睡眠按钮：这是个可以固定或粘贴在床头木板上的电池供电装置，它的作用主要

26、是帮助你在睡觉时关闭所有该关闭的电器同时启动安全系统进入布防状态。比如启动无线红外防闯入探测器、窗磁、门磁等进入预警布防状态。另外它也能帮助你启动夜间的照明模式，比如当你夜间起床时，打开的灯光就会很柔和，而不会像进餐时那么明亮，即使这是同一盏灯。无线燃气泄漏传感器：该传感器主要是探测家中的燃气泄漏情况，它无需布线，一旦有燃气泄漏会通过网关发出报警并通知授权手机。无线辐射传感器、无线空气污染传感器：对于一些对太阳辐射敏感的人来说，这种传感器具有特别的意义，通过它你可以准确知道出门前是否需要采取防太阳辐射或者防污染防尘措施，而你唯一要做的就是看一下手机屏幕，因为户外的辐射、污染等情况已经通过无线网

27、关传到了你手机上了。7.结束语物联网数字家庭虽然在理论上已经非常强大，但是现实的发展却没有想象这般的美好，还有很多现实的深层次的问题值得探讨和研究。传感终端设备技术需突破传统的物联网接人技术，如RFID、二维码、传感器技术等需要进一步成熟。从技术稳定性、价格性价比、产品实用性等多方面考虑。此外传感网络与宽带、CDMA等移动网络的融合，也是急需技术研发的方面。物联网数字家庭体系结构需建立一个行业想要走上良性发展的轨道，必须要建立统一的体系结构标准，这样才能实现各个生产厂家的产品相互兼容，也才能健康持续的发展。但是在现阶段，短时间内还无法制定统一的标准，还需时日加以等待。物联网数字家庭现在处于起步

28、阶段，产品大规模批最化生产还需要时间随之带来的就是产品成本相对较高。在中国只有少部分用于试点研究安装。真JE用于生活的还不多见。所以在这个时候更加需要成熟的商业产业链推动其发展。使其能够在市场中找到相应的位置。同时政府也应该出台相应的扶持政策，催化推动物联网数字家庭的可持续发展。 参考文献 1 方彦军，孙健.智能仪器技术及其应用M.北京:化学工业出版社， 20032 潘永雄，沙河，刘向阳.电子线路CAD实用教程M.西安:西安电子科技大学出版社，20013 余锡存，曹国华编著.单片机原理及接口技术M.西安：西安电子科技大学出版社，2007 4 张伟，张杰.单片机原理与应用M.北京: 机械工业出版社，20055 曹薇，谢云敏.单片机原理及应用M.北京：中国水利水电出版社，2004 6 陈伟人，MCS-51系列单片机实用子程序集锦M.北京：清华大学出版社， 1998 7 张福学，传感器应用及其电路精选M.北京：北京电子工业出版社，1991 8 康华光，电子技术基础数字部分M.北京:高等教育出版社,20009 余载泉，李玉和编著.PROTEL实战演练M.北京：人民邮电出版社，200010 何克忠，李伟编著.计算机控制系统M.北京:清华大学出版社，1998 11 物联网中文站