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第1篇：智能家居論文范文

摘要：簡要介紹了電力線通信技術，分析了對利用電力線通信技術實現智能家居網絡的載波技術、網絡控制技術等組網關鍵問題，介紹了一種基于LonWorks技術的電力線智能家居網絡解決方案。

基于電力線通信技術的智能家居網絡系統，利用電力線通信技術通過電源插座完成家庭聯網，并為家庭網絡提供互聯網接入和多媒體音視頻業務，通過家庭服務器對接入家庭網絡的信息家電、安全系統實行監控和管理。

一、電力線通信技術概述

電力線通信技術(PLC)是把載有信息的高頻加載于電流，用電力線傳輸，通過調制解調器將高頻信號從電流中分離出來，傳送到計算機或其他信息家電，以實現信息傳遞的一種通信方式。目前PLC技術已經形成寬帶接入型與家庭網絡型兩種發展模式，家庭網絡型是指通過電力線在用戶家中組建高速LAN。這種模式的PLC只提供家庭內部聯網，即通過家庭的內部的普通電力線，進行組網連接家庭內部局域網。電力線通信技術有以下優點：信息家電可以通過電力線進行通信，無需另外布線，利用電源線實現智能家居網絡成本較低；電力網是覆蓋范圍最廣的網絡，PLC技術可以輕松地滲透到每個家庭，其應用范圍廣泛；網絡的接入點是電源插座，電源插座隨處可見，數目較多且接插方便；不需要撥號，接入電源插座即接入網絡；電力線載波通信較容易實現自動抄表、家居監控等功能。利用電力線載波通信技術實現智能家居網絡最方便。

二、電力線智能家居網絡的關鍵問題

2.1載波技術1)正交頻分多路復用技術。低壓電力線載波信道的傳輸特性的特點是具有時變性，衰減較大，而且各種干擾噪聲復雜。為提高電力線網絡的傳輸質量，電力線通信大都采用正交頻分多路復用技術(OFDM)進行調制。即將串行數據轉化為N個并行數據分配給N個不同的正交子載波，實現并行數據傳輸。這樣既可得到很高的數據傳送速率，又能夠有效地抑制碼間干擾。應用OFDM技術于電力線通信中具有明顯的優越性。OFDM頻帶不僅利用率高，而且抗干擾性強，可以克服電力線上固有的高噪聲、多徑效應和頻率衰減等現象，有效利用現有低壓電力線實現高速數字通信。2)擴展頻譜調制技術。這一技術的抗干擾和抗多徑效應也較強。因此，也有一些廠家采用這種技術開發電力通信產品。擴展頻譜調制技術在相對較寬的頻帶上擴展了信號頻譜，降低了信號的功率譜密度，降低了電磁輻射，削弱了對其他通信系統的干擾。而且接收端通過窄帶濾波技術提取有用信號，信號的信噪比很高，抗干擾性增強。另外，擴頻通信可以實現碼分多址。對于1Mbps左右的系統，應用擴頻技術就可以完全滿足傳輸容量的要求，且其設備簡單，擴頻調制方式較為經濟。當傳輸速率要求在10Mbps及以上時，擴頻技術實現起來較困難。在10Mbps及以上傳輸速率宜采用OFDM調制技術。

2.2網絡控制技術目前，家庭自動化網絡標準有許多種，較為成熟的有X210、CEBus和LonWorks等。1)X210是最早應用于家庭設備自動控制系統的。X210的控制模式為主從控制模式，信息是單向傳輸的，從控點只能接收主控點發來的信息，不能反饋。X210的系統信息的傳輸較慢(傳送一個指令需時0.883s)，抗干擾性能差，可用節點數為256個，只能用于普通家庭中的簡單控制和專項控制。但其價格十分低廉，而且安裝使用較方便，如僅組建一個簡單的家居智能網絡，可以考慮X210技術。2)CEBus是一個較完整的開放系統，美國電子工業協會(EIA)于1992年正式推出，并定為IS260/EIA2600標準。它定義了在幾乎所有傳送媒體(Medium)中信號的傳輸標準，并要求控制信號在所有的媒體中都要以相同的傳送速度(10Kbps)傳送，從而有效地避免信號傳輸中可能出現的“瓶頸”問題。CEBus的抗干擾能力比X210強，控制功能亦十分豐富。但接口技術比較復雜，價錢較貴，在中國的應用不多見。3)LonWorks是由美國Echelon公司于1990年12月開發成功的全分布式智能控制網絡技術。1997年8月，被EIA的集成家庭系統技術委員會定為家庭網絡(HomeNetworking)的標準。Lon2Works完全支持OSI的7成協議，具有良好的開放性、互操作性，其網絡系統組成以分布控制為控制模式。對于網絡家電來說，只需要將已定義的的網絡家電之間信息傳遞的語法和語義標準在應用層實現后，就能夠實現不同廠商之間產品的相互兼容。LonWorks的分布式架構使其具有獨立性，部分節點的故障不會造成系統癱瘓。LonWorks最基本的部件是同時具有通信與控制功能的神經元芯片，具有很強的通信能力和一定的數據處理能力。其抗干擾能力很強，其可靠度是這三種網絡控制技術最高的(約99.8%)，并具有完善的開發系統和工具。LonWorks的分布式架構，每一個控制裝置都可以有隨插即用的功能，減免了二次拉線造成的成本，并避免了重新布線的不便。LonWorks可擴展性強，在將來對系統升級時，可充分利用原有資源，降低升級的復雜性及成本。上述三類家庭自動化網絡技術都是各有其特點，組網時可根據實際情況進行選擇。但如果要組建一個統一的、操作性強、功能完善、可靠性高、可擴展性強的家居智能網絡，采用LonWorks技術是一個明智的選擇。

三、電力線智能家居網絡的組成

本文以LonWorks技術為基礎，采用電力線載波技術來構建家居智能網絡。該網絡以分布控制、集中管理為控制模式，其網絡系統可依靠網絡節點完成自治的控制功能，通信媒體采用電力線。主控節點與家用電腦相連，可控制從節點的功能配置并監控從節點的狀況，并且還負責與Internet的通信。通過主控節點可查看電表、水表、煤氣表的讀數，實現三表的集抄。從節點可接收從電力線傳來的控制信息，完成自治的控制功能，同時反饋家電的一些狀態信息。從節點由電力線網關、信息家用電器組成。在這個網絡系統中，電力網關是一個重要的部件，它用于對網絡信息的發送與接收。電力網關由基于LonWorks網絡系統的LonTalk網絡協議和神經芯片、電力線載波模塊和耦合電路組成。

第2篇：智能家居論文范文

目前我國各地房價不斷上漲的現象引起了廣泛關注，也引發了關于房地產市場是否過熱以及是否存在泡沫的爭論。從目前的判斷依據看，常用的參照指標是國際通用的房價收入比，它也是制定住房政策的重要依據。1989年香港大學的專家伯納德.李諾在一份研究報告中指出：“在發達國家，房價收入比在1.8～5.5:1之間，……在發展中國家，該數一般在4～6:1之間。當然也有例外，……”。隨后，世界銀行在1992年出版的《中國：城鎮住房改革的問題與方案》一書中，全文引用了上面的論點。其后，聯合國人類住區中心也在一份文稿中予以引用。近年來，國內研究房價收入比的大多文章，幾乎都引用了上述文獻的結論，即“4～6倍的合理區間”；也都沿用了其中房價收入比的計算方法，即房價=單價X面積指標。

然而，從研究結果看，不少學者對同一地區或同一城市采用房價收入比指標分析，卻得出了不同的結論。究其原因，有學者認為是對房價收入的特性和合理取值范圍認識不夠；有的認為是計算方法存在嚴重缺陷：當前的房價收入比主要計算新房市場，而忽略了舊房市場，沒有考慮住房結構，低估了我國居民的購房支付能力；有的認為是“由于概念上的非統一性，往往導致認識與時間中錯誤與混亂”；還有人認為對房價收入比經濟涵義的模糊認識，當屬根本性的致因。

筆者通過文獻檢索和對比分析，認為房價收入比的應用目前存在以下方面的問題。

首先，對房價收入比的概念存在認識差異。如有的認為它是“一個國家或城市的平均房價與每產居民的平均收入之比”；有的認為“房價收入比應是一個地區(國家)某一時期上市銷售的某一類型商品住房的單套平均房價與對應收入檔次居民家庭相同時期戶均每年收入中可用于購房支出之間的比值”；而聯合國人類住區中心的《城市指標指南》則認為，房價收入比是指“居住單元的中等自由市場價格與中等家庭年收入之比”。認識上的差異自然會導致研究結論不一致。

其次，房價收入比概念本身就缺乏嚴格的經濟意義。無論是李諾最初提出的概念，還是人們后來的修正，房價收入比都不過是一種替代性的經驗指標，并不具備嚴格的經濟意義。顯然，人們不可能將其全部收入都用于住房消費。此外，不同國情、不同收入群體和不同消費習慣，都會影響人們對住房消費的實際支出。缺乏嚴格經濟意義的房價收入比本身就具有明顯的缺陷。

人們對房價收入比的認識差異以及該指標本身存在的不足，都說明這一指標并不具備可比性，也影響了該指標應用的可信度。例如，北京師范大學金融研究中心在2006年3月的《中國房地產金融安全評估報告》中，計算得出我國東部城市的房價收入比達到了13倍，遠遠超過了國際上6倍的警戒線，并得出結論：我國70%的城鎮居民沒有購房能力。事實果真如此嗎？如果不是，那又如何評價房價高低和居民購房能力呢？

二、居民購房能力與房價水平分析

本文的思路是，根據不同收入階層居民可支配收入中合理用于住房消費的部分，測算他們各自的購房能力，然后分別與住房市場相應供應層次的住房價格進行比較，從而對住房市場和住房價格水平進行判斷。

根據國際經驗，居民將其1/3的家庭月收入用于住房消費是一條警戒線，越過此警戒線，將出現較大的還貸風險，并可能影響居民的生活質量。美國銀行明確規定，居民每月償還按揭貸款及與住房相關的稅費，不得超過稅前收入的28%。而在我國，椐新浪網2006年4月一項有15，014人參與的調查顯示，91.1%的人購房采用了按揭，其中54.1%的人月供占收入20%一50%，有31.8%的人月供占收入50%以上，超過了我國銀監會《商業銀行房地產貸款風險管理指引》中“應將借款人住房貸款的月房產支出與收入比控制在50%以下(含50%)”的警戒線。2006年4月17日《中國青年報》報道：居民購房已成為不能承受之重，逾三成房貸族成“房奴”。這些居民在享受有房一族心理安慰的同時，生活質量卻大為下降，不敢輕易換工作，不敢娛樂和旅游，害怕銀行加息，擔心生病、失業，更沒時間好好享受生活。因此，本文認為月供不超過月收入的30%為合理界限，以此來衡量居民的購房能力與房價關系。

(一)測算依據

1.基本假設和條件

假定購房人有積蓄或有親友資助因而具有支付首付款(房價30%)的能力，余款通過20年按揭貸款方式支付，月等額還款以居民家庭當前月收入的30%支付，以目前利率作為固定利率進行計算，忽視居民家庭收入增加、利率調整以及通貨膨脹等的影響，以此為基礎分析不同收入階層居民的房價承受能力。

按照建設部的有關規定，房地產市場提供的住宅產品可按面積大小和價格高低區分為高檔商品住宅、普通商品住宅和經濟適用房。其中，高收入家庭購買高檔商品住宅；中高收入家庭購買普通商品住宅；中低收入家庭購買經濟適用房。而廉租房是由政府向最低收入家庭提供的政策性補助用房，不在本文的研究范圍之內。

2.相關指標求取

(1)家庭收入。首先根據各地區具體情況，按收入水平將城市居民分為高收入家庭、中高收入家庭、中低收入家庭和低收入家庭四類；然后根據政府公布的統計資料，分別計算上述各類別中不同收入段的加權平均數，得出各類收入家庭各自的平均可支配收入；考慮到我國居民的灰色收入，同時我國有很多居民在住房制度改革時，都以較低價格購買了公有住房，當他們再次購房時，一般要賣掉舊房再買新房，因而這些居民實際購房能力相對較高，為此本文將分別計算出的各收入階層家庭平均可支配收入都乘以修正系數1.2作為計算依據。低收入家庭主要依靠政府提供廉租房解決住房問題，本文不做具體分析。

(2)面積。本文指的面積是根據某年某市統計資料得出的住宅產品銷售平均單套面積S(由于很多地方的統計資料都缺乏分類統計，一般只有平均面積和平均價格，因此本文采用了這樣的面積和價格指標。

對于分類統計比較詳實的地方，可以按當地住房供給結構、相應價格分類別進行具體分析)。如果該市分類統計較翔實，則分別按高檔商品住宅、普通商品住宅和經濟適用房計算各類別加權平均單套面積。

(3)價格。本文指的價格是根據某年某市統計資料得出的住宅產品平均銷售價格Pm。如果該市分類統計較翔實，則可按高檔商品住宅、普通商品住宅和經濟適用房分別計算它們各自的加權平均價格Pmj(j=1，2，3)。

(二)測算結果分析

以某收入階層家庭月平均可支配收入*1.2*30%(記為A)為基準，推算出該收入階層家庭20年貸款期以月等額還款方式支付70%房價的累計現值Y，則該階層居民能夠承受的房價為Paj=Y÷0.7。設i為月住房商業貸款利率，n為還款期(12*20)，則有：

Y=A÷i*[1-1÷(1+i)n]

將Paj與Pm(或Pmj，下同)進行比較，如果Paj＞Pm，則說明房價在該收入階層居民可承受的范圍之類，因而房價是合理的；如果Paj＜Pm，則表明房價超出了該收入階層居民的承受能力，該收入階層居民為了償還按揭貸款，不得不削減其他方面的開支，因而可能導致他們的日常生活水平下降；如果Paj遠遠小于Pm，說明住房價格過高，或者住宅市場供給結構嚴重失衡。

三、結論

第3篇：智能家居論文范文

[關鍵詞]無線技術；智能家居；遠程控制；手機app；概述；過程

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2014）47-0252-01

前言

智能家居系統讓您輕松享受生活。當你出門在外，您可以通過手機app來遠程遙控您的家居各智能系統，例如在回家的路上提前打開家中的空調和熱水器；到家開門時，借助門磁或紅外傳感器，系統會自動打開過道燈，同時打開電子門鎖，安防撤防，開啟家中的照明燈具和窗簾迎接您的歸來；在公司上班時，家里的情況還可以顯示在手機上，隨時查看……這樣的智能家居遠程控制系統或許是每個生活在快生活節奏的人夢寐以求的。基于無線技術的智能家居遠程控制系統，可以通過我們隨身攜帶的手機來進行遠程控制，只需要開發安裝一款app，那么這樣的生活就在眼前。在這樣的現實狀況面前，本文選擇從關于智能家居遠程控制概述以及利用手機app實現智能家居遠程控制過程兩個方面展開論文，就如何開發、利用以及實現這一控制系統和過程進行一番探究，為智能家居的研究和發展提供可行性的建議或意見。

一、關于智能家居遠程控制概述

智能家居是利用先進的計算機技術、網絡通訊技術、綜合布線技術、醫療電子技術依照人體工程學原理，融合個性需求，將我們的家居生活的一切起居活動通過網絡化綜合智能控制和管理，實現家庭生活更加安全，節能，智能，便利和舒適，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。智能家居具有實用性便利性、可靠性、標準性以及方便性等特性。智能家居遠程控制，顧名思義，就是通過無線網絡技術，利用移動終端實現家居生活的遠距離集中控制。本文論述中的是一款通過手機app來遠程控制家中門衛系統、燈光系統、空調、熱水器等設備的開啟和關閉；從而實現出門在外時候對住房的實時控制和檢測。

二、利用手機app實現智能家居遠程控制過程

如何利用手機app來實現智能家居遠程控制過程。本文的論述中該手機系統利用各類家居傳感器來實現相應的功能。控制系統主要由：手機app遠程控制終端、控制單元、數據采集系統、執行器、檢測控制以及接口和電源部分組成。

通過利用手機app來實現遠程控制的基本原理是：首先手機app上面的系統控制器由通過接收遠端――住房內發送來的信號，通過轉換器進行信號轉換、解碼之后，再將這些處理后的信號傳輸給控制中心的單元集中一一處理。控制中心根據傳輸過來的信號進行處理后，根據具體的指令發出相應的處理信號，通過控制電路、執行器做出相應的反應。從信號的接收、指令發出以及信號的處理，這樣下來一個控制過程就完成了。由圖可知，系統主要由振鈴檢測電路、模擬摘掛機電路、DTMF音頻解碼電路、語音提示電路、中央處理單元、控制電路、電源電路等組成。

智能家居遠程控制可以實現許多功能，真正意義上的實現智能家居，其功能如下圖分布：

從該功能分布系統圖中，我們可以看出：智能家居的控a制終端為手機app，通過在手機app上進行指令的編輯、發送給控制系統，從而驅動智能家居中的各個控制系統，根據需求調動控制系統，實現各個功能。系統的原理圖大概如上所述，而在手機app上程序的設計和開發上，軟件架構主要選用了操作系統，操作系統初步方案選定為u＼C-OS II 或者Free RTOS，然后在上面編寫相應的程序，通過操作系統，使得整體的硬件資源集成在一起，實現統一的調度，另外在該系統中選用GUI圖形界面，使得顯示可以更加的人性化，并且根據實際情況可以增加觸摸屏等功能。其指令操作軟件的主要流程如下圖所示：

手機app上復位初始化之后，然后不斷向控制模塊發出指令進行掃描查詢，當查詢到相應的信號后，手機app上的控制器變化對信號進行處理，然后根據信號的處理結果，發出是否啟動軟件。若啟動軟件之后，則app會根據手機上發出的控制命令，選擇相應的電器、控制電路和系統，進入系統控制菜單，打開相應的電器和系統，之后等待回應即可。整個利用手機app來實現智能家居遠程控制的系統原理、控制以及實現過程大概就是這樣。

結語

基于無線網絡技術的智能家居遠程控制無疑是未來家居生活發展的趨勢，也是日益增長的生活需求與社會經濟快速發展之下的必然產物。如何最大限度的利用好無線網絡技術，讓我們的智能家居遠程控制系統日臻完美，讓我們真正享受到智能家居的現代家居生活給我們帶來的便利是我們每個行業內工作者為之奮斗的目標。雖然當下的智能家居的遠程控制系統開發和建設初見規模，但是存在的問題和漏洞還是不容小視，這也就需要我們不斷的付出努力，進行更為深層次的分析和探究。

參考文獻

[1] 瑞朗智能家居整體方案[J].IB智能建筑與城市信息.2005（11）.

[2] 朱順兵，張九根.智能家居系統的關鍵技術與設計[J].建筑電氣.2003（05）.

第4篇：智能家居論文范文

關鍵詞：ZigBee，智能家居，前景展望

 

0 引言

智能家居，又稱為智能住宅（SMART HOME），是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、自動控制技術、網絡通信技術、安全防范技術、音視頻技術將家居生活有關的設備集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。智能家居起源于上世紀80年代的美國，隨著我國人民生活水平的不斷提高，已經有越來越多的廠商和個人開展了對智能家居的研究，并有各類相關產品問世。

傳統的智能家居更多的是通過有線的方式進行組建，比如常見的Ethernet、CEBus、X-10等，其中得到最廣泛應用的是X-10，主要是因為其相對低廉的價格和用戶可自行裝設的特點。，前景展望。CEBus的性能雖然高于X-10，但是由于售價較高而難以得到普及。Ethernet主要用于高速數據傳輸網絡，用于家庭自動化控制則會受到電纜布線的限制。而日益興起的無線技術能否在智能家居領域占有一席之地并得到廣泛的應用呢？

和采用有線網絡的通信技術的智能家居產品相比較，無線技術解決方案最吸引人的地方是安裝布置的靈活性、低廉的安裝費用和在智能家居系統進行重新布置時的可移動性。盡管無線通信技術和有線相比較有明顯的優勢，而且無線局域網技術和藍牙技術已經在市場上獲得了巨大的成功，但無線通信技術在智能家居領域應用相對還是較少。這主要是因為目前沒有一項標準化的，獲得各廠商一致認可的無線通信技術適合在智能家居領域進行廣泛的推廣，而且現有的一些針對智能家居領域無線通信產品的價格偏高，導致無線通信技術在智能家居的應用停滯不前。隨著近年來人類在微電子機械系統（MEMS）、 無線通信、數字電子方面取得的巨大成就，使得發展低成本、低功耗、小體積、短通信距離的多功能傳感器成為可能。近年來所涌現出來的一項新的無線通信技術—— ZigBee技術將改變這種狀況。ZigBee技術產品以其低成本、低功耗、低傳輸速率、優秀的組網能力，被廣泛認為將在未來的幾年中對智能家居行業產生重大的影響。

1 ZigBee技術介紹

ZigBee技術是建立在IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，美國電氣電子工程師學會）802.15.4基礎上的無線通信協議，它是一個短距離、低功耗協議，特別適合設計應用在小型的建筑物自動化設備中，比如溫度自動調節裝置、燈光控制設備、環境傳感器等。

2000年的12月，IEEE成立了IEEE 802.15.4工作組，致力于開發一種可應用在固定、便攜或移動設備上的，低成本、低功耗的低速率無線連接技術。2001年8月，美國霍尼韋爾等公司發起成立了ZigBee聯盟，他們提出的ZigBee技術被確認為IEEE 802.15.4標準。2002年，摩托羅拉、飛利浦和三菱等企業加盟ZigBee聯盟，06年中國的華為公司也加入了該聯盟。現聯盟內有180多個成員企業，包括軟件供應商、系統集成商和終端產品商。2003年，IEEE 802.15.4標準獲得通過，并在2004年12月推出了ZigBee技術規范1.0版本。2006年，推出ZigBee 2006，比較完善。2007年底，推出ZigBee PRO。

ZigBee技術能夠在低功耗下提供短距離、低速的數據傳輸，使用普通干電池的ZigBee無線傳感器能夠持續運行2～3年的時間。，前景展望。，前景展望。另外ZigBee技術優秀的組網能力使得它和其他無線通信技術在智能家居系統中的應用相比尤其具有無可比擬的優勢。具體地分析，ZigBee技術有如下幾點優勢：

（1）低成本，ZigBee技術是免協議專利費的，而且每塊芯片的價格大約為2美元左右。

（2）低功耗，在低耗電待機模式下，兩節五號干電池可支持1個節點工作半年至兩年時間甚至更長。，前景展望。

（3）低速率，ZigBee工作在20～250kbps的較低速率，在不同頻帶間分別提供250kbp(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始數據吞吐率滿足低速率傳輸數據的應用需求。

（4）短時延，ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms，進一步節省了電能。相對而言，WIFI需要3s，而藍牙則需要3~10s。

（5）大容量，ZigBee可采用星狀、樹狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點，同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000個節點的大型網絡。

（6）高安全性，ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用訪問控制列表(ACL)防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES 128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

基于上述特點可看出ZigBee主要應用于短距離范圍內并且數據傳輸速率不高的各種電子設備之間，其典型的傳輸數據類型有周期性數據（如傳感器數據）、間歇性數據（如照明控制）和重復性低反應時間數據等。因此ZigBee技術十分適合應用于智能家居系統之中。

2 ZigBee技術在智能家居中的應用前景

目前，ZigBee的開發以大廈自動化設備、產業、醫療及家庭自動化等領域為目標。尤其在自動儀表領域，ZigBee擁有很高的關注度。市場調研公司In-Stat預測，支持ZigBee及IEEE802.15.4的芯片組的合計供貨量到2011年將從06年的500萬個增至1億2000萬個。但在智能家居市場，由于競爭技術較多，ZigBee成為唯一標準的可能性很低，但因為自身的技術特點，發展前景還是值得期待的。另一家市場調研機構ABI Reserch對ZigBee技術持有非常樂觀的態度。該公司的一份預測數據顯示，2005年到2012年，ZigBee市場的年均復合增長率為63%，而到2012年ZigBee市場份額將達3.5億。目前國際上智能家居領域專家們的共識是，ZigBee技術在智能家居中的應用將不可阻擋，但是多種無線技術并存的局面將會持續比較長的時間，能否完全取代其它技術，成為智能家居領域的首選，還要多方面的共同努力，進一步完善技術，加快標準化的腳步。，前景展望。

3 結束語

隨著我國經濟的飛速發展，智能家居的數量也會越來越多，Zigbee技術與智能家居系統的結合有著廣泛的應用前景，本文主要探討了該技術在智能家居系統中的應用，并對技術的應用前景做了展望。這種方式在現實生活中具有很強的應用性，相信在不遠的將來，會有越來越多由Zigbee技術延伸而出的設備投入應用，并將極大地改善我們的生活。，前景展望。需要關注的一個問題是，雖然目前我國智能家居中所使用的系統及產品大多被國外的大公司所壟斷，但是ZigBee技術的出現將給我國開發自主的具有世界先進水平的智能家居系統及產品提供一個嶄新的契機。

參考文獻

[1]呂九一，陳楠.基于Zigbee技術的家庭無線傳感網絡應用研究[J]，科技廣場，2009，第 11期

[2]白建波，張小松，路詩奎.ZigBee技術及其在樓宇自動化系統中應用的思考[J]，智能建筑與城市信息，2006，第1期

[3]飛思卡爾中國有限公司．飛思卡爾的802.15.4ZigBee——輕松實現無線連接[J]．半導體技術，2004（7）：80～81

[4]ZigBee Alliance.ZigBee Specification[M].2007.

[5]王永春.Zigbee技術在智能家居中的應用[J]，智能建筑與城市信息，2009，第1期

第5篇：智能家居論文范文

【關鍵詞】Zigbee；CC2530；智能家居

0.引言

近年來，物聯網成為全球關注的熱點領域，我國在制定“十二五”規劃時更是將物聯網納入“十二五”專題規劃。智能家居屬于物聯網的一個重要分支，基于物聯網的智能家居表現為利用信息傳感設備將家居生活有關的各種子系統有機地結合在一起，并與互聯網連接起來，進行監控、管理信息交換和通訊，實現家居智能化。本文介紹了基于802.15.4的Zigbee無線網絡協議的智能家居控制系統的實現。

1.系統總體設計

本智能無線家居控制系統主要由網站、PC軟件、Zigbee網絡協調器、Zigbee控制與采集節點四個部分組成（如圖1所示）。該系統主要實現本地和網絡對家庭電器的控制，以及模擬場景的智能控制。

圖1 系統總體框圖

網站為用戶提供一個遠程控制家電的系統，用戶通過遠程訪問家庭的嵌入式服務器來獲得當前家庭的情況并向設備發送控制指令。

PC軟件是系統的靈魂，軟件編寫的好壞直接影響系統的性能。PC軟件的功能是給用戶提供操作界面，將通過網絡或本地的控制指令用戶的指令通過串口傳送給Zigbee協調器，并且存放Zigbee協調器傳送的各個節點的狀態信息，并顯示報警信息，其中數據庫是網絡與本地控制數據交換中心。

Zigbee協調器是信息的交換中心。Zigbee協調器的功能是接收PC傳送的指令并通過無線的方式發送給Zigbee控制采集節點和接收由Zigbee控制采集節點發送的信息并且向上位機（PC）發送。

Zigbee控制與采集節點是家居控制的執行機構，它可以接受無線控制指令并執行。控制節點主要用于控制家庭的開關電器設備，如電燈、電扇以及具有紅外控制器的設備，如電視，空調等。采集節點主要用于實時監測家庭安全隱患，如煤氣泄漏，火災等。Zigbee控制與采集節點都具有向Zigbee協調器反饋當前狀態的功能。

系統通過相關Zigbee節點采集信息，并傳送給Zigbee協調器，然后由協調器將信息傳送給PC機，PC機將節點的信息存入數據庫之后，實現報警和實時的狀態顯示，并通過PC操作人員的操作，將控制指令發送給Zigbee協調器，然后由Zigbee協調器將執行指令發送給Zigbee相關節點。通過節點的執行完成對家庭中照明、安防等的控制。同時系統還可以利用無線網絡設備查詢和控制無線攝像設備，對家庭進行監控。通過網絡訪問智能家居控制系統網站，用戶可以觀察到家庭的基本情況，用戶還可以使用網站的控制指令，向數據庫寫入控制指令，當PC軟件檢測到數據庫的內容發生變化時，便向Zigbee協調器發送控制指令。

2.單片機硬件設計

圖2 電路板結構框圖

本系統的硬件部分主要由計算機PC、協調器與節點電路板、無線網絡設備、傳感器模塊等部分組成，其中協調器與節點電路部分是本文的設計重點，其結構框圖如圖2所示。

本系統才用TI公司的CC2530芯片作為協調器和節點的控制芯片，CC2530是一款無線單片機，工作在2.4GHZ的頻段，采用802.15.4通信協議。

Zigbee協調器與節點在硬件電路設計上基本無區別，主要通過軟件編程讓其工作在協調器或節點模式。

Zigbee協調器主要通過RS232串口接口于與PC機通信，MAX232芯片是用于串口通信的芯片。Zigbee節點主要提供控制（如燈光控制）和采集（如溫度采集）接口。

Zigbee協調器是底層通信系統的核心，主要是接收節點信息向PC機反饋以及接收PC機控制指令向節點轉發。

3.軟件部分設計

本系統主要有網站、上位機（PC）程序和下位機（協調器和節點）程序三個部分組成。網站主要用編程，用到了C#語言，Dreamweaver8 ，Visualstudio 2008等一些網絡編程工具，數據庫用Access數據庫實現。

上位機程序主要是在Visualstudio2008環境下完成的，采用VB語言編程，實現包括界面、控制和通信等功能。下位機主要是在IAR Embedded Workbench環境下完成的，采用C語言編寫，實現包括控制和通信等功能，下位機采用的芯片是TI公司出的CC2530芯片，并且針對這塊芯片TI公司有完整的Zigbee協議棧，本系統正是基于Z-Stack 2007編寫而成的，在原有的Z-Stack的基礎上編寫自己的應用程序來完成系統的功能。系統上位機主程序界面如圖3所示。

圖3 系統上位機主程序界面

網站文件部分程序（更新溫度程序）如下：

protected void update（）

{

string a = "0.00"；

string b = "0.00"；

/*選擇溫濕度進行更新*/

OleDbConnection conn = new OleDbConnection（constr）；

OleDbCommand cmd = new OleDbCommand（"select 傳感器數據2 from devicedata where 設備名稱='TEMPERATRUE'"， conn）；

conn.Open（）；

OleDbDataReader dr = cmd.ExecuteReader（）；

while （dr.Read（））

{ a = dr["傳感器數據2"].ToString（）；

}

dr.Close（）；

conn.Close（）；

Labeltempds1820.Text = a + "℃"；

}

4.結束語

本文介紹了基于Zigbee無線網絡智能家居控制系統的實現，它具有本地和網絡訪問等多種控制方式，同時根據不同的場景設置能夠達到智能控制，讓人們生活得更加舒適與放心。本系統所采用的CC2530芯片具有低功耗，體積小，（2.4GHz）無線發射的特點，并且其對應的Z-Stack具有完善的功能，能夠保證通信系統的有效性、可靠性和安全性。綜上所述，本系統切合社會發展實際需要、技術可實現性、經濟性都很好，有一定的創新性和推廣潛力，非常有研究價值并有很強的現實意義。

【參考文獻】

[1]關勇.物聯網行業發展分析.北京郵電大學學位論文，2010.

[2]唐亮.我國物聯網產業發展現狀與產業鏈分析.北京郵電大學學位論文，2010.

第6篇：智能家居論文范文

【關鍵詞】智能家居；泛在性；垂直切換；實時性

A Vertical Handoff Solution in Heterogeneous Wireless Networks for the Use of Smart Home

LIAO Wen-jin

（College of Communication & Information Engineering Nanjing University of Post & Telecommunition， Nanjing Jiangsu 210003，China）

【Abstract】Aimed at the need of the ubiquitous control of smart home system by multi-mode terminal， this paper uses vertical handoff in the current remote control system and introduces a heterogeneous wireless vertical handoff solution. The key point of this solution is that vertical handoff is divided into near-end handoff and far-end solution， considering the terminal’s mobility and position. The near-end handoff solves the problem of terminal authentication and packet loss when changing from WLAN or WCDMA to Zigbee. The far-end handoff provides a best network and can improve the real-time control for multi-mode terminal visiting smart home system by mobility- adaptive handoff algorithm.

【Key words】Smart home；Ubiquity；Vertical handoff；Real time

0 引言

當前移動蜂窩網絡技術、無線局域網技術以及無線個域網技術被廣泛使用，多無線網絡覆蓋與終端多模化，使移動終端具備了多網絡接入能力。在此情況下，擁有多模終端的用戶希望泛在（任何時間、任何地點）控制智能家居系統，采用像GSM網絡[1]這種單一的網絡模式已不能滿足多模終端遠程控制智能家居系統的需要。

目前智能家居系統控制的實現方案多集中在家庭側，通過在家庭網關上實現家庭內部無線網絡與Internet的互聯互通來達到控制的目的[2-3]。這些方案雖然利用家庭無線網關解決了內外無線網絡協議間轉換的問題，卻沒有考慮多模終端泛在控制的應用場景。在異構無線網絡環境下，多模終端會基于所處的無線網絡環境及位置自主地進行網絡選擇或垂直切換，以期獲得最佳的網絡服務。因此本文將垂直切換技術應用到智能家居系統控制中，設計一種垂直切換方案，以支持多模終端泛在控制智能家居系統的應用場合。

1 異構網絡切換結構

本文以基于Zigbee技術組網的智能家居系統為例，將Zigbee、WLAN及WCDMA作為多模終端遠程訪問智能家居系統的三種異構無線網絡接入方式。圖1給出了一種實現智能家具系統泛在訪問與控制的異構網絡切換結構。

圖1 網絡切換結構

該切換結構基于多模終端位置將垂直切換分為遠程端切換和近程端切換。遠程端切換主要針對多模終端遠程訪問控制智能家居系統的需要，積極主動地感知所處網絡環境與狀況的變化，及時觸發網絡切換，從而為多模遠程訪問智能家具系統始終提供最佳的網絡狀態與連接服務。近程端切換主要針對多模終端從外部進入到家庭網絡環境（Zigbee網絡），出于網絡費用的考慮而由WLAN或WCDMA切換到Zigbee網絡的情況。

2 近程端切換方法

2.1 網絡切換的考慮

當多模終端由WLAN或WCDMA向Zigbee網絡切換時，存在著兩個問題：一是切換的認證問題，即多模終端在網絡切換前后的身份認證問題；二是切換所帶來的丟包問題，這主要是由于切換時的網絡暫時中斷引起的。

針對上述兩個問題，這里提出基于網關協助的網絡切換方法，即由家庭網關實現多模終端身份認證與丟包重傳。網關為每個訪問智能家居系統的多模終端提供唯一的ID并為開辟一個數據暫存區。當切換發生時，網關會將到該多模終端的數據暫存，多模終端進入Zigbee網絡后會向網關請求認證其ID，網關確認后，將對應的暫存數據通過Zigbee網絡發送給該終端。

2.2 網絡切換觸發機制

為了保證多模終端切換并接入到一個穩定的Zigbee網絡，將Zigbee網絡的鏈路質量指示LQI作為觸發切換的指標。

當多模終端發現Zigbee網絡時，以周期T對網絡的LQI信息采樣，獲得n個采樣值。用樣本均值表征網絡的狀況水平：

■ =（■LQIi）/n （1）

可以切換到Zigbee網絡的條件如下：

■>LQIo 切換■≤LQIo 不切換 （2）

其中LQIo表示Zigbee網絡可接入的LQI最小值。

3 遠程端切換方法

遠程端切換的目標是為遠程控制智能家居系統的多模終端，提供最佳的網絡連接，以提高遠程控制的實時性。接收信號強度（Received Signal Strength， RSS）作為網絡狀況的表征常被用為網絡切換的判決指標。終端通過掃描無線網卡RSS的變化來觸發切換，其切換常采用一種固定閾值的切換算法[4]。考慮到終端的移動性，這里提出了一種移動自適應的網絡切換算法。

3.1 網絡發現

網絡發現是整個切換過程很重要的一步。考慮到WLAN覆蓋范圍小而WCDMA覆蓋范圍大，因此在網絡發現階段多模終端主要通過掃描無線網卡發現附近可用的WLAN為切換過程提供網絡選擇。這些可用的WLAN構成了一個候選網絡集合C。論文[4]采用了固定閾值與遲滯電平來選擇一個無線網絡進入C的方法。但是該方法缺乏對網絡穩定性的考慮，當多模終端選擇接入到一個不穩定的無線網絡時，極易產生乒乓效應，降低了切換的效率。為此，這里引入網絡波動度作為選擇一個網絡進入C的判斷指標。

多模終端定期掃描無線網卡，對其周圍的WLAN以周期T進行均勻采樣，樣本序列記為（RSS1，RSS2，L，RSSN） 。對于每一個WLAN，RSS的波動度S計算公式為：

S=■RSSi-■/ N （3）

式中■為對應WLAN的RSS樣本均值，它體現的是網絡當前RSS的平均水平。

對于某個WLAN，判斷它能成為一個候選網絡的公式如下：

S

其中σo為RSS的穩態閾值，它表示MT進行正常通信所能忍受的最大網絡波動。

3.2 網絡切換判決

3.2.1 當前服務網絡為WCDMA時的切換

考慮到WCDMA的帶寬低，因此多模終端在移動的過程中總是試圖切換到帶寬高的WLAN。在這種情況下，觸發切換的條件是發現是否有可用的WLAN，主要的依據是判斷C是否為空。若C不為空，則選擇■最大（距離終端最近）的WLAN作為切換的目標網絡。

3.2.2 當前服務網絡為WLAN時的網絡切換

為了使切換算法具有移動自適應性，這里定義了一個閾值動態調節因子：

ΔRSS=RSS1×α■ （5）

其中RSS1為調節系數，k為比例因子，v為終端移動速率。（RSS -■）反映了終端移動行為，（RSS-■）>0說明其在做接近AP的運動，此時切換并不那么緊迫，因此ΔRSS給個較小值；相反，終端正在遠離AP，速度越快，切換越緊迫，因此ΔRSS給個較大值。

網絡觸發切換的條件如下：

RSS

切換時，當C為空時或終端速度多快時（v>vo）將直接切換到WCDMA網絡，否則將從C中選擇切換的目標網絡。

3.3 網絡切換執行

切換執行是當切換觸發時，多模終端向網關進行注冊并獲取注冊確認的過程。整個注冊過程完成終端身份的認證與數據傳輸通道的變換。當多模終端首次訪問智能家居系統并認證通過后，網關為其分配一個唯一ID號。切換時，網關利用ID識別終端身份，防止未授權的訪問。多模終端發現新的接入點之后通過動態IP地址分配協議獲取新的IP地址，然后向網關發送包含ID與IP地址的注冊數據包，網關進行確認之后，多模終端將數據發送的通道切換到新的接入點上，完成切換過程。

4 結束語

本文在現有的智能家居遠程控制系統中引入了垂直切換機制，設計了多模終端在近程端與遠程端的網絡切換方法，滿足了多模終端泛在控制智能家居系統的應用需求。此外，本文提出的切換方案雖然是針對智能家居應用提出的，但同樣也適用于像智能交通、智能農業與智慧醫療等物聯網的其他應用場合，因此具有較好的應用價值。

【參考文獻】

[1]鄭一力，李勝，王永澤，等.一種遠程無線智能家居控制系統[P].中國專利，CN102880158A，2013-01-16.

[2]滿莎，楊恢先，彭友，等.基與ARM9的嵌入式無線智能家居網關設計[J].計算機應用，2010（9）：2541-2544.

[3]郭穩濤，何怡剛.智能家居遠程控制系統的研究與設計[J].計算機測量與控制，2011（9）：2109-2112.

第7篇：智能家居論文范文

【關鍵詞】無線控制；遠程控制；溫度控制；安防控制；能源管理

1.引言

近年來隨著人民生活水平和知識層次的不斷提高，人們也將注意力越來越多的放在了生活環境的安全性、舒適性和便利性上，因此也就產生了對家居智能化的需求；與此同時，在科學技術方面，計算機控制技術與電子信息通訊技術的飛速發展也促成了智能家居系統的出現。開發智能家居相關產品不僅能夠滿足人們生活的需要，對整個社會信息化進程的推動作用也不可忽略。

我們基于上海未來伙伴機器人有限公司創新套件設計了一套智能家居控制系統，利用結構部件、連接部件和傳動部件以及傳感器完美得組合在一起，通過能力風暴控制器、單片機系統、無線模塊、GSM模塊等，實現了家居的無線控制、遠程控制、溫控、安防控制等功能，使人們的生活更加便捷、安全、舒適。

2.系統總體設計方案

家居智能的基本目標是，將家庭中各種與信息相關的通信設備、家用電器和家庭安防裝置連接到一個家庭智能化系統上進行集中或者異地的監視、控制和家庭事務性管理，并保持這些家庭設施與住宅環境的協調。根據智能家居所需要的功能，我們按照與家庭所處位置的遠近，將系統歸納為遠程控制、無線遙控控制和本地集中控制三種控制方式。

遠程控制通過手機發送短信形式進行控制，此方案主要用到GSM模塊和單片機，手機發送指令到GSM模塊的SIM卡，然后根據用戶的指令來控制家電設備或者接收報警信號并向用戶報告。使人們身在外地就可了解家中的各種狀態。

無線控制功能是通過無線發射接收模塊實現近距離控制功能，主要包括對家電的近距離控制和接收報警信號，節省了無線通信不必要的費用，也省去了花在綜合布線上的費用和精力。其主要電路由51單片機模塊電路、無線發射接收電路、能力源控制器、AS-UⅢ智能機器人組成。

“自動+手動”控制包括路燈、太陽能草坪燈、走廊燈控制的自動控制，可節約能源。空調、花園澆水、窗簾是采用“自動+手動”控制，既可以自己通過按鍵控制開關，也可以自動控制。

3.硬件電路設計

3.1 無線控制系統

用戶通過終端控制器發射指令，由接收系統對電飯煲、熱水器、排風扇進行開關控制。用戶通過終端控制器發射相關指令，接收系統對大門、車庫門、房門也可進行開關。采用AT89C51單片機，通過功能按鍵選擇以上的開關控制，由12864液晶顯示器進行顯示相關狀態，同時蜂鳴器起到報警的作用，使用2400bit/s無線模塊實現近距離無線控制。無線終端控制器的框圖如圖1（左圖）所示。接收系統通過解碼實現對家用電器、門等控制。同時門上安裝磁敏傳感器檢測門的位置，使門實現自動開關功能。接收系統的框圖如圖1（右圖）所示。

無線終端器的電路原理圖見圖2所示，電源為5V直流電，12864液晶顯示器中RP1可以調節顯示器的亮度，S1-S6為無線終端控制器的功能選項按鈕，S7為單片機復位按鈕。AY1為蜂鳴器，當單片機20腳輸出低電平時，Q1導通，蜂鳴器開始鳴響。2400bit/S為無線模塊，當接收到無線信號時，單片機進行解碼，并通過12864與蜂鳴器顯示相關數據。

3.2 遠程控制系統

用戶通過手機發送短信，GSM模塊接收到手機的指令，通過單片機進行遠程控制電飯煲、浴室熱水器、浴室換氣扇等的開關。控制系統框圖如圖3所示。

手機發送指令給GSM指定號碼，從而實現遠程控制的功能。指令表見表1。

3.3 “自動+手動”控制

3.3.1 溫控系統

臥室內，用戶可以“手動”設定空調的溫度，使室內的溫度控制在人體舒適度范圍之內，當室內溫度和設定溫度有偏差時，就會“自動”啟動空調開關，并且會自動進行制冷或制熱的選擇。控制框圖如圖4所示。

3.3.2 自動灑水系統

通過傳感器檢測土壤濕度，土壤干燥時啟動灑水系統為花草澆水，當濕度達到一定值時，灑水機停止工作，或人為進行灑水系統的開關。控制系統的框圖如圖5所示。

3.3.3 風力發電系統

當風力達到一定時，風力發電系統自動工作，由存儲裝置儲存電能，供電給用電器。

3.3.4 自動太陽能草坪燈系統

白天，通過屋頂上的4塊太陽能板進行蓄電，晚上，電池給草坪燈進行供電，控制器采用5251專用芯片進行光線檢測、升壓驅動。

3.3.5 燈光控制系統

利用光敏傳感器檢測太陽光，當白天接收到太陽光時，路燈滅。晚上接收不到太陽光時，路燈點亮；利用聲音傳感器檢測走廊聲響，當有人走過發出聲音時，傳感器接收到信號，走廊燈亮，延時10秒后，走廊燈熄滅；利用光敏傳感器檢測環境明亮程度，當早上接收到太陽光時，電機正轉，窗簾打開；晚上光線比較弱時，電機反轉，窗簾關閉，框圖如圖6所示。

3.4 安防系統

本系統設計的安防系統包括防火系統、防盜系統和緊急求救系統。框圖如圖7所示。

利用溫度傳感器檢測室內溫度，當發生火災時，溫度升高，啟動報警功能，房屋周圍4個LED燈閃爍，喇叭聲音報警，同時滅火系統（噴水）啟動。并通過無線模塊向終端控制器發送一個信號，終端控制器報警以及時提醒房主，同時，GSM模塊也向房主發送短信進行提示。

利用紅外反射、接收裝置安裝在門上，當大門關閉時，如果有人進入，啟動報警，無線控制終端顯示盜賊進入，并報警，提醒房主及時處理，同時，GSM模塊也向房主發送短信。

當別墅內人員（尤其是弱勢群體的老人和小孩），出現緊急情況時，按下呼叫按鈕，啟動緊急呼叫系統，報警器會發出“嗚嗚～”的報警聲，同時GSM模塊也向房主發送短信，表示家中有緊急情況。

4.軟件程序設計

本系統用的軟件主要采用上海未來伙伴機器人有限公司提供的VJC流程圖編程和單片機C語言編程相結合，VJC流程圖編程更加直觀形象，流程圖采用模塊化編程的形式，接近人類自然語言，流程圖程序的形式與標準流程圖完全一致，簡單易學，是學習單片機C語言編程的基礎。編譯好的流程圖下載到能力源控制器，然后進行程序的調試，最后實現其功能。

4.1 走廊燈路燈程序

4.2 風力發電與自動灑水

5.制作和調試

本系統利用上海未來伙伴機器人有限公司創新套件設計了一套智能家居控制系統，將結構部件、連接部件和傳動部件以及傳感器完美得組合在一起，搭建成一套家居系統的框架，再通過能力風暴控制器、單片機系統、無線模塊、GSM模塊等，實現了智能家居控制系統。實物如圖10所示，經過調試，系統都完成了以上功能。

6.總結

本套智能家居控制系統具有以下創新點：

（1）無線控制和遠程控制相結合，既能進行近距離無線遙控控制也能進行遠距離控制。

（2）具有太陽能、風力發電裝置，為晚上草坪燈供電，起到了很好的節能作用。

本套智能家居控制系統通過模擬實物制作和調試，都能達到智能家居的功能，達到預期的效果。在應用到實際家庭中，也能實現這些功能。因此對開發智能家居控制系統有一定的借鑒意義。

參考文獻

[1]潘慶浩，古鵬.智能家居控制系統技術問題的研究與探討[J].計算機工程應用技術，2008（6）.

[2]張周.ZigBee技術研究及其在智能家居中的應用[D].廈門大學碩士學位論文，2007.

[3]古鵬，溫武，陳耀華.新型單片機芯片實現家居智能控制的單元設計[J].電腦知識與技術，2008（7）.

第8篇：智能家居論文范文

關鍵詞：虛擬現實；智能實驗室；物聯網；ZigBee ；OSG

中圖分類號： TP31 文獻標識碼：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2013.07.016

文本著錄格式：[1]白雪飛，趙文深，崔巖松，等.基于現代智能實驗室的三維場景用戶界面設計[J].軟件，2013，34（7）：41-45

0 引言

隨著通信技術的發展和物聯網技術的日趨成熟，傳統的實驗室逐漸向現代智能化實驗室轉變，實現了諸如遠程查看實驗室溫濕度，監控實驗室中的照明，門禁，投影儀，攝像頭等設備狀態的功能。此外智能實驗室中還可以安裝通用的智能插座，方便靈活地控制其他各種電器設備。現代智能實驗室多采用分布式結構，通常由一個web服務器和一定數量的傳感節點，和控制節點組成。傳感節點采集設備信息匯總到web服務器，而控制節點則根據web服務器的指令來操作相應的硬件設備，web服務器則以二維GIS的形式展示實驗室的結構、內部設施、電器設備狀態，同時提供控制電氣設備的接口，實現了實驗室的遠程監控和管理。

但是該智能實驗室系統以二維的形式展示三維的信息，存在一定的信息缺失，同時場景缺乏真實感，操作界面單一，用戶體驗不佳。而三維虛擬現實技術則很好地彌補了二維展現形式的缺陷。虛擬現實是利用電腦模擬產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三維空間內的事物。虛擬現實技術與智能實驗室物聯網系統有機結合[1，9-10]，將滿足用戶對實驗室空間信息的迫切需求，增加場景的逼真度，以及操作的直觀性和樂趣性。

1系統框架

如圖1所示：本系統的總體框架有三個層次構成：最底層是由各種控制節點，傳感節點，以及ZigBee節點組成的網絡層，該層主要負責節點狀態信息的采集和上傳[2]。中間是服務層，它由一個web服務器組成，主要負責信息匯總，數據計算，與節點控制。最上層是顯示層，也是本文要重點講述的虛擬現實場景用戶界面。

1.1 ZigBee網絡層與服務層構成

本文中介紹的智能實驗室節點網絡采用ZigBee無線網絡技術結合JavaWeb服務，組織和管理實驗室智能控制節點，如圖2所示。

1.1.1 ZigBee局域網絡：

每一個智能實驗室中都必須有一個ZigBee網絡協調器（Coordinator），若干個ZigBee路由器（Router）和網絡終端設備（end device）。其中ZigBee網絡協調器的職責是建立和初始化設備，管理網絡節點，存儲關聯節點路由信息等。ZigBee網絡路由器主要負責搜索網絡，傳輸數據，發送請求，起到路由的作用。ZigBee網絡終端設備，則是相應的功能硬件設備，如溫濕度傳感器，門禁，智能開關等[3]。

1.1.2 網關

網關又稱為協議轉換器，是一種網絡互連設備，用于連接不通通信協議的兩種網絡系統。在本系統中采用基于linux操作系統的ARM處理器作為網關，連接ZigBee無線局域網絡和外部Internet網絡[4]。

1.1.3 Web服務器。

在一個智能實驗室系統中Web服務器是不可或缺的。它向下匯聚傳感器節點采集的數據，指令控制ZigBee終端設備；向上為用戶提供監控實驗室設備的用戶接口，是人機交互的關鍵環節。本論文中的Web服務器是利用Java語言構建并運作的，以web頁面的形式，展現實驗室的二維結構布局和設備分布。

1.2虛擬現實顯示層構成

1.2.1三維模型

智能實驗室模型的建立直接決定了虛擬環境場景的逼真程度。本系統最終采用3ds Max軟件，以北郵校園為背景，建立智能實驗室的室內外三維模型，再現室外真實環境和室內桌椅，實驗設施布局，溫濕度傳感器，燈光，門禁，投影儀，以及智能節點等。

1.2.2 osg虛擬引擎，實時驅動渲染。

OSG（OpenSceneGraph）是一款高性能跨平臺的3D圖形開發庫，完全由C++和OpenGL編寫而成，具有跨平臺和開源的突出優點。OpenSceneGraph在對OpenGL封裝的基礎之上，建立一個面向對象的框架，使得編程者可以擺脫底層的繁雜建模，便于應用程序的開發和管理[5]。此外它還提供了大量的優化算法，提升運行時性能，提供幾乎所有主流數據格式的數據接口，以及對腳本語言的支持。因此其廣泛應用于可視化仿真、游戲、虛擬現實、高端技術研發等領域。

現智能實驗室的虛擬現實接口，必須建立基于OSG的人機交互接口，實現以下功能：

（1）場景漫游功能：使用戶可以在虛擬環境中自由行走，猶如漫游于真實場景之中。

（2）碰撞檢測功能：此功能保證人在虛擬環境中自由移動，但不會“穿越”墻等障礙物。

（3）點選場景中物體的功能：使人能夠選中，拾取，釋放虛擬環境中的某個物體。

（4）場景控制功能以及菜單功能：場景控制指虛擬場景中照明開關，門禁，投影儀的等控制，并在點選某設備時彈出菜單，顯示該設備的參數信息。

（5）與web服務器的通信接口。當人在虛擬場景中關閉的某一盞燈時，osg程序要向web服務器發送指令，關閉真實場景中的照明燈。然后osg程序再檢測真實場景中的照明狀態，在虛擬場景中再現照明狀態。

2針對智能實驗室虛擬現實接口的關鍵技術

本系統采用3ds Max建模工具進行三維建模，利用Visual Studio 2008建立C++工程，引用osg三維渲染庫，進行虛擬場景的渲染，漫游控制，碰撞檢測，拾取物體等動態控制。

2.1三維建模

智能實驗室場景的生成過程具體包括實景獲取、建模、場景材質設置和真實感貼圖、虛擬現實系統初始化、模型對象化導入與實時呈現幾個部分，其中三維建模是核心部分，其質量好壞直接影響智能實驗室虛擬場景的呈現效果[6]。

智能實驗室三維模型流程如圖3所示，對于室外建筑和室內設施，其輪廓多為規則的幾何體，故用一個長方體構建起其建筑輪廓，再增加門、窗、臺階、周圍花草樹木、室內設施等構成三維場景的模型。而紋理則通過高像素的相機拍攝，但由于受建筑物高度、拍攝距離、透視關系、光照條件等因素的影響，拍攝的圖片比例失調，不能直接用作紋理，需要用PhotoShop等圖像處理軟件對照片進行裁切變換等處理，使之成為正射狀態，最終以JPG格式保存，形成貼圖庫。貼圖的長度和寬度應是2的冪次的整數，否則貼圖在后期可視化中將不能正常顯示。

拍攝的過程中要注意相機鏡頭的法線盡量與建筑物垂直，盡量避免仰視拍攝和俯瞰拍攝，如圖4所示：正確的拍攝角度可以大大的減少圖像的后期處理壓力。

2.2 osg場景控制

建立好智能實驗室三維模型以后，剩下的工作就是在osg中進行實時渲染驅動，主要包括漫游控制，碰撞檢測，拾取物體，和web服務器通信等。如圖5所示：

2.2.1漫游控制

Osg中場景的漫游涉及到兩個主要的類：osgGA：：GUIEventHandler和osgGA：：CameraManipulator。

osgGA：：GUIEventHandler是osg引擎中的事件處理類，它可以捕捉鼠標和鍵盤的操作。定義一個osgGA：：GUIEventHandler的子類，即可自定義某個鼠標或鍵盤事件觸發的操作，如按下W、S、A、D鍵 分別向前、向后、向左、向右移動模型等。而osgGA：：CameraManipulator繼承自osgGA：：GUIEventHandle，專門用于相機視角的調整。其setByMatrix（const osg：：Matrixd & matrix）和setByInverseMatrix（const osg：：Matrixd& matrix）方法是其特有的用于調整相機視角的角度和位置的方法。自定義一個繼承自osgGA：：CameraManipulator的類，由繼承關系，該類具有捕捉事件的能力，根據捕捉到的鍵盤事件，自由的調整相機視角和相機的位置。

2.2.2碰撞檢測

本系統從實現的復雜度和運算開銷角度考慮，采用射線體相交測試的方案進行碰撞檢測，即用一個描述用的正方體或者球體包裹住3D物體對象（或者對象的主要部分），之后根據該包裝盒的位置、距離等信息來計算，某一個時刻T，對象物體是否與其他的物體發生了碰撞和交疊。

如圖6所示，在進行相交測試時，首先連接物體A的舊位置與新位置構成一條線段，然后創建一個IntersectVisitor交叉訪問實例，并把線段加載入該交叉訪問實例，初始化訪問實例位于場景圖的根節點，然后線段跟隨其遍歷場景層次，與場景對象進行相交測試[7]。

2.2.3拾取物體

拾取物體是指用鼠標點擊虛擬場景中的某一個物體之后，可以選中該物體，取消選中該物體，并能檢測出點擊的是哪一個物體等。本系統使用射線相交法實現物體拾取的目標，即通過遍歷模型結構樹，檢測視點與鼠標選擇點之間所確定的射線與哪個實體相交，從而確定被選中的實體。

如圖7所示：OSG引擎首先捕獲鼠標的單擊事件，然后獲得鼠標點擊的位置，進而運用射線相交法得到一個相交物體的集合，最后運用模型節點的唯一性標志 NodeName篩選出用戶所要選取的模型結點。

2.3封裝ActiveX插件，與web服務器互動、通信

如何將osg虛擬環境嵌入到網頁中，并與web服務器通信，實現在虛擬環境中對現實場景中設備的控制呢？ 將osg工程封裝成基于MFC的ActiveX 控件為上述問題提供了解決方案。

2.3.1 ActiveX技術

ActiveX控件是基于組件對象模型（COM）的可重用軟件組件，廣泛的應用于桌面以及web應用中。ActiveX作為組件可以嵌入到web網頁中，網頁程序就成為了組件的容器。ActiveX控件為我們提供了兩種機制：“事件機制”，“方法和屬性機制”。“事件機制”用來實現當某種條件滿足時，控件主動通知控件容器發生了某些事情。“方法和屬性”機制用來實現組件容器主動通知控件發生了某些事情。

2.3.2完整的通信過程

虛擬環境與真實場景的完整通信流程如圖8所示，通過“事件機制“和“方法屬性機制”，完成了“虛擬環境事件觸發web服務器指令，web服務器反饋信息更新虛擬環境中節點狀態”的通信過程[8]。

當用戶在虛擬場景中單擊燈的開關時，首先通過osgGA：：GUIEventHandler檢測到用戶單擊了鼠標左鍵，并通過“拾取物體”技術，判斷出用戶單擊的是燈的開關，此時利用ActiveX的事件機制，在ActiveX內部觸發開燈事件（假設燈狀態由關到開），通知web容器（這里的容器指網頁）燈被打開，再由嵌入到網頁中的JavaScript指令向web服務器發消息，消息中包含燈所屬控制節點的編號，以及“開或關”的狀態，由服務器和ZigBee節點去將指定的燈打開。

與此同時，Web服務器存在一個獨立的線程，不停的檢測ZigBee網絡上傳的各個節點的狀態數據。當檢測到某個燈的狀態由“關”設置成了“開”，服務器便通過Web容器，利用ActiveX中的“方法和屬性”機制，調用ActiveX中預留出的關燈方法，將虛擬場景中的指定的燈關閉。

3 虛擬現實接口的實現，以及測試結果

本系統所設計的智能實驗室三維虛擬現實接口，在原來智能實驗室的基礎上，增加了三維立體的展現形式。并且經過了實際的測試和實驗：虛擬環境中開燈，真實環境中燈會相應被開啟；真實環境中將燈關閉，虛擬環境燈會隨之置成關閉狀態，實現了虛和實的有機統一。三維場景的效果如圖10所示，和二維GIS的表現形式（圖9所示）相比，大大增加了場景的“逼真度”，接口的“易操作性”，改善了用戶體驗。

4結束語

本論文在現有的智能實驗室物聯網系統基礎之上，提出了基于虛擬現實的三維虛擬場景接口。重點闡述了三維建模、利用osg進行場景渲染驅動，以及虛擬場景與實際場景的有機連接等關鍵技術。實際的測試和檢驗，證明基于虛擬現實的三維用戶界面，不僅實現了“實驗室設施受控于三維場景”、“三維場景反映實驗室設備狀態”的功能，而且明顯增強了展現形式的真實性和直觀性，改善了用戶體驗。同時此系統所用到的技術和方案，可進一步拓寬應用范圍，直接應用到現代智能家居領域，也是虛擬現實與智能家居的有機結合。

參考文獻

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第9篇：智能家居論文范文

[關鍵詞]超聲波 定位系統 無線電波 智能家居

中圖分類號：TM121.1.3 文獻標識碼：B 文章編號：1009-914X（2015）25-0012-02

引言

現在無線電定位技術已經得到了很廣泛的應用，但是無線電定位技術對于某些小距離、小范圍的定位顯得有些大材小用，換句話說就是有些浪費成本。超聲波傳輸距離遠，傳輸速度相對于無線電小的多，對于處理器的速度要求及處理精度并不是很高，需要運算的數據量遠小于無線電波，運算的速度要求也小于處理器去處理光電信號的速度要求，所以在小空間、小范圍的定位中，超聲波定位具有很大的優勢，可以大幅節省硬件成本，減少CPU的運算工作量，對于智能家居等類似的行業具有很好的開發前景。

1.定位原理

無線電定位是通過各個定位點的無線電波頻率來識別各個定位點的，從而獲取定位點的坐標信息，參考無線電的定位原理，超聲波的定位原理與無線電定位類似，主節點發出位置獲取信號，定位節點一旦收到就將自己的信息信號發出。如圖1，節點P（x，y，z） 表示需要定位的人或物，節點A、B、C構成定位系統的參考網絡，由A、B、C發出的超聲波到達節點B的時間可以得到PA、PB、PC三條線段的距離即主節點到三個定位結點間的距離。

由圖中幾何關系可以得到

，（T為環境攝氏溫度）

然而在實際的系統中，由于超聲波在空氣中的傳播速度會衰減，傳輸距離有限，而且容易受到障礙物的影響，三個定位節點可能遠遠不夠的，可能會出現盲區，即定位節點發出的超聲波可能達不到或者可以達到的節點不夠3個，這時算出的坐標位置可能就會出錯，為了避免類似情況的發生，為保證定位精度更加準確，活動范圍更廣，可以使用較多的定位點，呈矩陣狀合理分布，同時每個定位點有自己的位置坐標，主節點只要測得三個不同節點的距離，就可以計算出主節點在系統中的坐標。為了減小誤差，定位的高度及定位點間的距離應該經過反復測試，以得到最佳的高度及間距。

2 系統組成方案及硬件實現

系統組成如圖2所示，整個系統主要由主節點、PC上位機及若干個定位節點組成。其中，主節點及定位節點主要由微處理機系統、無線電收發電路、超聲波接收電路或超聲波發射電路組成。

2.1 微處理機系統

微處理機選用Atmegal16單片機，它有16K字節的系統內可編程Flash（具有同時讀寫的能力，即RWW），512 字節EEPROM，1K 字節SRAM，32個通用I/O 口線，是高性能低功耗的8位單片機。

2.2 超聲波發射電路

超聲波發射電路是定位節點的主要功能模塊，主要用來向主節點發送超聲波，主節點依據超聲波傳來的時間來計算出主節點與點位節點間的距離。

2.3 超聲波接收電路

超聲波接收電路是主節點的主要功能模塊，主要用來接收定位節點發來的超聲波。

2.4 無線電發射接收電路

無線電發射模塊采用的芯片是NRF24L01，主節點上的無線發射模塊主要由兩個功能：第一個功能是依次向各個節點發射帶地址編碼無線信號，一旦有定位節點接收到主節點發射來的對應自己編碼的無線電信號，該定位節點會將自己的地址編碼立即反饋給主節點，同時定位節點向主節點發射超聲波信號，主節點一旦收到定位節點發來的反饋信號就立即開啟定時器定時，在設定時間范圍內如果收到該節點發來的超聲波信號，通過聲速與時間的乘積就可以得到主節點與此結點間的距離，一旦主節點得到三個不同定位節點間的距離，然后依據定位節點的地址編碼來獲取這三個定位節點的位置坐標，依據前面推導的類似的公式就可以得到主節點的坐標位置；第二個功能是向連有PC機的節點發送坐標位置數據以供PC機實時顯示坐標位置。定位節點的無線發射模塊主要用來接收主節點的無線信號，一旦接收到主節點的無線信號就將自己的編碼迅速的反饋給主節點，以通知主節點進行計時。

3 系統控制軟件組成

3.1 主節點軟件設計

主節點程序設計流程如圖3，初始化的過程主要包括數據初始化，寄存器配置初始化，及系統硬件的自檢過程。主結點的軟件設計主要功能有：1.能夠識別定位節點的坐標位置；2.實現捕獲超聲波傳輸時間的精準計時；3.通過相對距離及坐標位置的幾何關系計算出主節點的坐標位置；4.對位置坐標結果進行數字化濾波處理，減小誤差。

3.2 定位節點軟件設計

定位節點程序設計流程如圖4，定位節點功能相對簡單，主要是提供節點坐標位置，提醒主節點進行開始計時等。

3.3 數字濾波處理技術

由于超聲波本身的傳輸衰減性，外界物體的干擾，以及硬件本身設計上的種種不足，所得到的坐標位置結果會不可避免的存在誤差，不僅能夠很好的處理數據結果，大幅度減小誤差，還可以減小硬件上的投入，節省成本。數字濾波處理技術，有很多種，而且各有特點。單一的方法很難實現精準的濾波，多種濾波方式結合起來使用會有很好的濾波效果。這里選用的濾波方式主要有：限幅濾波法，中位置濾波法、算術濾波法平均濾波法。如圖4，當主節點以一個三角形移動時經過濾波處理后PC機顯示的主節點位置坐標信息，誤差基本上能夠滿足要求。

4 結束語

經過硬件參數的反復調整實驗，以及各種濾波處理，可以將主節點的定位誤差控制在5～10cm以內，單點對單點的定位誤差控制在1cm，控件可以在5立方米以內。系統的不足還有很多，定位系統坐標還需合理優化，位置精度還不夠精確，硬件設計還需反復測試優化。

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