基于物联网的智能家居演示系统(2)

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瞻性文章，很容易推断出，物联网将在人工智能、距离感知等方面进行模块整合，其最终的发展趋势，是实现人与物、物与物之问的交流对话，并由此而连接成一个“包含”地球的网络。

“智慧地球”的概念是奥巴马担任美国总统时首次提出的，其初衷，是用一种：智能的方式来改变现代生活的交流方式，通过对信息技术的革新，满足社会、政府以及个人之间的交互方式，其最大的特点是高效、灵活、安全、便利。目前，美国对“智慧地球”高度重视，并提升至国家战略高度，与国家经济振兴、确立本国竞争优势息息相关。同样，在欧洲和东亚，物联网技术同样得到十足的发展，很多发达国家也加快第二代网络的构建。总而言之，信息化的趋势已经遍及全球主要国家，信息化所带来的巨大影响，也给经济低迷的世界经济带来一剂强心针。

与此同时，在我国，物联网技术虽然起步较晚，但是政府对信息化的发展高度重视，2009年温家宝总理在无锡微纳传感网工程技术研发中心的视察以及重要讲话，开启了中国物联网产业发展的新篇章。随后，我国三大运营商的物联网业务先后揭开神秘面纱，一一公之于众，主要表现在物流信息化、校讯通、企业管理、公交视频等诸多民生息息相关的领域。

第二章 基于物联网的智能家居系统关键技术 2.1 物联网技术

2.1.1 物联网的定义

2005 年 11 月 17 日，国际电信联盟（ITU）发布了《ITU 以特网报告 2005：物联网》，报告认为，物联网是一种全新的动态网络，能够随时随地实现人与人（通过 PC 和非 PC）、人与物、物与物之间的交互。根据ITU的描述，在物联网时代，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度，从任何时间、任何地点的人与人之间的沟通连接，扩展到人与物、物与物之间的沟通连接。 目前，不同领域的研究者对物联网思考所基于的起点各异，对物联网的描述侧重于不同的方面，至今仍没有提出一个权威、完整和精确的物联网定义。就物联网概念而言，目前较为公认的物联网的定义是：通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以

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实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。通俗地说，通过装置在物体上的传感器、电子标签和全球定位系统等设备，网络将赋予物体智能，即可以实现人与物体的沟通与对话，也可以实现物体与物体之间的沟通与对话。

2.1.2 物联网的体系结构

物联网应用覆盖的范围小到家庭网络，大到工业控制系统、智能交通系统，甚至国家级、世界级的应用，这种覆盖并不是物与物的简单互联，而是要催生很多具有“计算、通信、控制、协同和自治”特点的智能设备与智能信息系统。物联网的目标就是要帮助人类对物理世界具有“透彻的感知能力、全面的任职能力和智慧的处理能力”。

目前在业界物联网体系架构被公认为有三个层次，底层是用来感知数据的感知层，第二层是数据传输的网络层，最上面则是内容应用层。物联网体系结构模型如图 1 所示。

图 1 物联网的体系结构图

1. 感知层

物联网感知层解决的是人类世界与物理世界的数据获取问题，包括各类物理量、标识、音频、视频数据。感知层位于三层架构的最底层，是物联网发展和应用的基础，具有物联网全面感知的核心能力。感知层运用智能传感器技术、身份识别以及其他信息采集技术，对物品进行基础信息采集，同时接受上层网络送来的控制信息，完成相应执行动作。

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2. 网络层

物联网要求网络层能够把感知层感知到的数据无障碍、高可靠性、高安全性地进行传递，所以网络层要解决的是感知层所获得的数据在一定范围内，尤其是远距离地传输问题，同时，物联网网络层将承担比现有网络更大的数据量和面临更高的服务质量要求，所以现有网络尚不能满足物联网的需求，这就意味着物联网需要对现有网络进行融合和扩张，利用新技术以实现更加广泛和高效的互联功能。 3. 应用层

应用是物联网发展的驱动力和目的。应用层的主要功能是把感知和传输来的信息进行分析和处理，做出正确的控制和决策，实现智能化管理、应用和服务，这一层解决的是信息处理和人机界面的问题。

2.1.3 物联网的关键技术

物联网的多样化、规模化与行业化的特点，使得物联网设计的技术种类非常多。具体而言，物联网的关键技术包括自动感知技术、移动通信技术、计算机网络技术、云计算技术、信息安全技术等。下面将对本次设计主要用到的自动感知技术和计算机网络技术进行介绍。 1. 自动感知技术

自动感知技术是物联网的基础，能实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，实现外部世界信息的感知。传感器是物联网感知层的主要器件，是物联网中获得信息的唯一手段和途径，传感器采集信息的准确、可靠、实时将直接影响到控制节点对信息的处理和传输。传感器的热性、可靠性、实时性、抗干扰性等性能，对物联网应用系统的性能起到举足轻重的作用。自动传感技术的发展表现在智能传感器与无线传感器两个方向。

智能传感器作为传感网的基础与感知终端，其技术水平直接决定了传感网的整体技术性能。智能传感网是用嵌入式技术将传感器与微处理器集成为一体，具有环境感知、数据处理、智能控制与数据通信功能的智能数据终端设备。

无线传感器网络（Wirless Sensor Networks WSNs）的定义如下：无线传感器网络是由众多传感器节点构成的无线网络，其目的是感知、采集和转发网络覆盖的感知对象的各种信息,并发送给观测者。根据以上定义，传感器节点、感知对象和观测者是无线传感器网络的 3 个组成部分；无线网络是传感器之间、传感器节点与观测者之间的通信基础，用于在传感器与观测者之间建立通信路径；感知、采集、处理、发送感知信息是传感器网络的基本功能。传

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感器网络中的部分或全部节点可以移动。传感器网络的分布形状也会随着节点的移动而不断地动态变化。与传统的数据采集技术相比，无线传感器网络系统的优势主要体现在： ●感知范围的扩大：单个人型传感设备虽然能力较强，但感知范围有限。而无线传感器网络通过将大量能力较弱的传感器散布于整个物理区域可以获得较大的感知空间； ●容错性能提高：无线传感器网络中的节点密集分布，单位区域内的多个传感器在功能上是冗余的。这使无线传感器网络比单个大型传感设备具有更强的容错能力。网络中部分节点的损坏不会影响系统的正常运行，大量的冗余节点可以接替这些损坏节点的工作，为用户提供可靠的数据；

●测量的准确性提高：单个传感器由于能力较弱，测量的准确性低于传统的大型传感设备。但多个传感器通过数据融合可以提高测量的准确性。尤其是位置接近的传感器在对同一个物理量进行测量时，数据融合可以增强同种信号(正确)的强度，弱化不相关的噪音； ●成本降低：虽然用大量的传感器替代了一个大型传感设备，但由于大型传感设备在体积、可靠性、测量精度方面有严格的限制。无线传感器网络的设备成本仍然远远低于传统的大型传感设备。此外，由于无线传感器网络具有很高的智能性，部署方便，可以长期在无人干预的环境中自主工作，大大降低了使用和维护的成本。

无线传感器网络的上述优势使其在军事、环境、医疗、家庭和其它的商用领域有着很高的应用价值和广阔的应用前景。 2. 计算机网络技术

计算机网络是计算机技术与通信技术高速发展、密切结合的产物，而互联网是计算机网络技术的成功应用。互联网的应用已经对人类社会生活、政治、经济与科技的发展产生了重大影响，并且将继续发挥重要的作用。物联网是在互联网的基础上形成与发展的，它将使互联网从实验室、办公室与家庭扩展到更为广阔的应用领域。

计算机网络是“以相互共享资源的方式互联起来的自治计算机系统的集合”。计算机网络具有以下几个主要特征：组建计算机网络的主要目的是实现计算机资源共享，互联的计算机系统是自治的系统，联网计算机之间的通信必须遵循共同的网络协议。按覆盖的地理范围划分，计算机网络可以分为广域网、城域网、局域网与个人区域网四类。

2.1.4 物联网的应用

应用是物联网存在的理由，是推动物联网发展的原动力。物联网是基于感知技术，融合

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各种应用的服务性网络系统。《物联网“十二五”发展规划》确定了智能工业、智能农业、智能物流、智能交通、智能电网、智能环保、智能安防、智能医疗与智能家居九个应用领域。

目前全球范围内电能需求的不断增加，地球环境的不断恶化，电网的复杂程度不断增加以及电力安全的要求不断提高，电力行业面临着前所未有的挑战。智能电网的建设升级任务摆到了各国政府面前。智能电网是以发电、输电、变电、配电、用电、调度、服务与信息等电力系统多个环节为对象，不断研究新型电网控制技术与管理技术，优化电力生产、输变电与使用的全过程，达到“资源、服务、效益、环境”协调发展的目的。

交通是支持一个国家与地区经济、社会发展的命脉，也是涉及每个人日常生活的重要问题。随着我国经济的快速发展，四通八达的公路网、立交桥四处可见，但是交通拥堵、交通事故频发，已经成为出行时最让人头疼的问题。智能交通系统是指通过在交通基础设施、交通工具中广泛应用信息技术与通信技术，从而提高交通运输系统的安全性、可管理性、运输效能，同时能够降低能源消耗和对环境的负面影响。智能交通系统（ITS）研究的目标是实现“公路交通智能化”。

智能医疗是将物联网应用于医疗领域，借助数字化、可视化、自动感知、智能处理技术，实现感知技术、计算机技术、通信技术、智能技术与医疗技术的融合，患者与医生的融合，大型医院、专科医院与社区医院的融合，将有限的医疗资源提供给更多的人共享，把医院的作用向社会、家庭以及偏远农村延伸和辐射，提升全社会的疾病预防、疾病治疗、医疗保健与健康管理水平。随着经济与社会的发展，以及欧洲、美国、日本和我国都先后步入老龄化社会，医疗卫生社区化、保健化的趋势日趋明显，智能医疗必将成为物联网中实用性强，贴近名声、市场需求旺盛的重点发展领域。

随着计算机技术、通信技术及网络技术的迅猛发展，以及人们居住理念的改变，人们更为关注的是一个高度安全、便捷、舒适的家居环境，随之而提出了一连串的新概念：家庭自动化、家庭数字化、家庭网络化和家庭智能化等。物联网智能家居基于家居内实体（包括设备、人和环境）间的信息互联，一方面可以实现对客观环境以及用户主动行为更加全面、准确、智能的感知和判断，并通过各类设备的协同和联动，相互配合地主动为用户提供适用信息及服务，从而真正构建出“以人为中心”的智能家居环境；另一方面家庭的各个子系统与网络也不再是独立的孤岛，可以与社区等外界信息和服务相衔接，从而更加智能地满足用户在家庭中的多种需求，形成更加丰富、方便和更高品质的生活模式。

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