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，利用先進通信、傳感、智能控制技術，將任何物品連接入網(wǎng)，突破了物與物之間的空間限制，通過與目標物品進行實時信息交互，實現(xiàn)對目標物品的感知、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技術的快速發(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)的具體應用日益成熟完善。

智能家居概念最早由美國于20世紀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設備[2]。至今，隨著物聯(lián)網(wǎng)的引入，智能家居已經(jīng)進入第四代發(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)境污染等成為當前面臨的嚴峻問題。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)交換標準，在車與車、車與人、車與環(huán)境之間進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、智能交通管理的一體化網(wǎng)絡[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到的主要目標。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行遠程監(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)與智能家居相結合，設計融合網(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)對家居的遠程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 網(wǎng)絡組建方式

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

內(nèi)網(wǎng)是智能家居網(wǎng)關與眾多智能家電相互聯(lián)而形成的網(wǎng)絡。當前，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)采用的通信技術方面，射頻識別作為技術最簡單、成本最低的無線通信技術，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)中較少應用WiFi通信。由于ZigBee技術通信距離足夠覆蓋室內(nèi)空間，成本、功耗、復雜度均較低，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，在智能家居系統(tǒng)中得到了廣泛應用[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技術組建。

傳統(tǒng)的智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)多采用計算機在固定位置實現(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。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移動通信技術作為新一代移動通信技術，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100 Mb/s，20倍于3G通信的速率，上傳速度也可達到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)構成

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

智能家電在傳統(tǒng)家電基礎上，融合微處理器、傳感器技術、網(wǎng)絡通信技術，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)關的信息交互。本系統(tǒng)節(jié)點可擴展，可不斷接入帶有ZigBee通信功能的智能家電。

智能家居網(wǎng)關是聯(lián)通內(nèi)外網(wǎng)的關鍵。智能家居網(wǎng)關對內(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)處理及服務云后臺通過互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)通信模式的轉換以及內(nèi)外信息的交互。

數(shù)據(jù)處理及服務云后臺具有數(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)關發(fā)送的智能家電狀態(tài)信息，采用4G接入技術通過4G移動網(wǎng)絡與智能網(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)用戶指令進行智能決策，并對室內(nèi)家居進行遠程控制。

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)下達遠程控制指令。

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)關的信息交互，所以每個智能家電以及智能家居網(wǎng)關都需要配備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2.4 GHz IEEE 802.15.4，接收靈敏度極高，且抗干擾性能強大，可編程的輸出功率高達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)絡系統(tǒng)的需求；CC2530集成了具有代碼預取功能的低功耗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，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)關間的數(shù)據(jù)交互，采用電平轉換芯片MAX232實現(xiàn)串口連接。

2.2 智能家居網(wǎng)關

智能家居網(wǎng)關是本智能家居協(xié)同監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)通內(nèi)外的關鍵，是室內(nèi)各智能家電與數(shù)據(jù)處理及服務云后臺連接的橋梁。智能家居網(wǎng)關通過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)關采用Atmel公司的AT91SAM7X256作為核心處理器，并外接AT86RF230芯片構建以太網(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)關需要實現(xiàn)多任務協(xié)調(diào)運行，主要任務如下：

（1）通過以太網(wǎng)連接數(shù)據(jù)處理及服務平臺實現(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)各智能家電進行主動控制；

（5）儲存記錄設備動作以及用戶操作事件；

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

為了實現(xiàn)眾多任務的協(xié)調(diào)運行，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)關軟件平臺，并合理設定各個任務的優(yōu)先級，尤其是與通信相關的任務要設定較高的優(yōu)先級。對于以太網(wǎng)通信任務，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)通信任務的優(yōu)先級最高，其次是ZigBee通信任務和WiFi通信任務。

2.3 數(shù)據(jù)處理及服務云后臺

數(shù)據(jù)處理及服務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)關和智能網(wǎng)聯(lián)車輛關聯(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。

數(shù)據(jù)處理及服務云后臺的核心是數(shù)據(jù)庫服務器，該服務器一方面接入互聯(lián)網(wǎng)與智能家居網(wǎng)關進行信息交互，一方面通過4G通信模塊接入4G移動網(wǎng)絡，與智能網(wǎng)聯(lián)車輛進行信息交互。由于訪問云后臺的用戶眾多，所以服務器必須支持并行運行機制，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)庫關聯(lián)。需要實現(xiàn)各網(wǎng)關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程監(jiān)控。本車載終端需要與數(shù)據(jù)處理及服務云后臺通過4G移動網(wǎng)絡實時連接，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)面向安卓的應用軟件實現(xiàn)本系統(tǒng)所需功能，并帶有導航定位、安全輔助、車載娛樂、信息服務等車載終端普遍應用功能[10]。車載終端系統(tǒng)結構如圖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)的適用于智能手機和平板電腦等多媒體設備的應用處理器S5PV210，該處理器采用了ARM Cortex TM-A8內(nèi)核，主頻可達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、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)控應用軟件，該應用在4G通信、實時導航信息獲取的基礎上，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程對室內(nèi)家居實現(xiàn)監(jiān)控，在達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用軟件，經(jīng)由4G移動網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、ZigBee網(wǎng)絡即可對系統(tǒng)內(nèi)的各智能家電進行控制，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，在開啟安防預警系統(tǒng)后，室內(nèi)安裝的煙霧、燃氣、漏水、門窗安全相關檢測器開始工作，當出現(xiàn)導致人身和財產(chǎn)損失的各類危險時，立即向用戶預警。

為了能在用戶到達家中時無需等待就可享受智能家居服務，本系統(tǒng)根據(jù)用戶行車過程中的實時導航信息和交通狀態(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)家電進行控制。對于需要準備一定時間才能提供服務的家電，如熱水器、電飯煲、空調(diào)、飲水機等，根據(jù)用戶的個性化使用需求計算準備時間，并預測用戶的到家時間，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的家電，比如電燈、窗簾、電視、影音設備等，系統(tǒng)基于用戶的位置信息，當識別出用戶即將到家時，自動對此類家電進行控制，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慣，從而主動通過車載終端詢問用戶是否按照習慣對目標家電進行智能控制，從而簡化了用戶的操作流程。而且系統(tǒng)可根據(jù)用戶習慣定制個性化的智能家居服務，在征得用戶同意后，若用戶同意執(zhí)行該服務模式，則一鍵即可使多個智能家電協(xié)同進入工作狀態(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、實現(xiàn)方案及典型功能進行了說明。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。

在“萬物互聯(lián)”的物聯(lián)網(wǎng)思想和智慧城市建設的推動下，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)具有一定的指導意義和實際應用價值。