物联网技术在智能家居控制系统中的应用

张为方等

摘 要：着眼于智能家居系统中的万能遥控器，利用ZigBee以及M2M等技术，在原有手机万能遥控器的基础上进行改造与再创新，即将原有红外外接设备与手机设计成一个整体作为中介发射端，并通过另一台移动设备控制这一中介，从而完成万能遥控的目的。

关键词：手机万能遥控器；中介发射端；ZigBee；M2M

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）08-00-02

0 引 言

科学技术的发展推动了人类社会的不断进步，以智能手机为代表的各种智能产品应运而生，智能家居的概念也逐渐走入人们的生活。所谓智能家居，就是利用计算机技术、数字技术、综合布线技术及网络通讯等技术将与家居生活有关的各种子系统（如信息家电、安防等）有机地结合在一起，充分体现“以人为本”，其本质上是物联网的平民化体验。

目前，我国的物联网体系已初具雏形。与国外相比，我国物联网的网络通信技术和产业支持能力并无过分悬殊，但在传感器、RFID等感知端制造产业和高端软件、集成服务等方面仍差距较大。虽然当下我国的仪器仪表、嵌入式系统和软件集成与服务等产业已有较大规模，但真正与物联网相关的服务与设备才刚刚起步[1]。物联网还有着很大的发展空间。

当前，经济的全球化与社会的信息化已成为时代发展的潮流。随着智能化便携式移动设备（主要是智能手机）的普及以其性能的提高，便携式智能移动设备（智能手机）成为智能家居系统的控制端越来越具有说服力。

针对上述观点，当下，市面上已不乏手机万能遥控器产品的出现，手机万能遥控器是让手机转变成各种家用红外电器的遥控器。其原理均是运用相关软件，通过手机直接或间接发射红外线来实现。除了部分型号（三星GALAXY以及诺基亚等）具有红外功能外，大部分手机需外接设备来完成该功能的实现。外设产品目前主要有三种：①蓝牙转红外手机遥控器；②耳机接口转红外发射器；③USB接口（OTG）转红外发射器。这三种产品目前已有一定市场，但不难发现，它们都有缺点：即为了实现红外功能，必须舍弃手机原有的某项功能，比如通过蓝牙进行文件与信息传输、耳机的插入与使用、通过USB接口的数据传输等。

鉴于需要外接来实现红外功能的缺点，我们把原有软件、外设产品与原手机作为一个整体，并将其作为一个中间转换器，即通过另一台移动设备并应用相关软件来对其进行控制，这样，在实现万能遥控的同时，也很好地保护了原移动设备的基础功能。

1 相关技术介绍

支撑物联网的四大技术包括：两化融合、RFID、M2M、传感网（ZigBee/WiFi）。但根本项研究密切相关的是后两者。

1.1 M2M技术

M2M是一种用于设备与设备之间传递与交换信息的技术，是在实现智能家居过程中的基础技术。与传统的家庭网络相比，M2M以其自组织、高可靠性、可扩展性强、覆盖范围广、成本低并且组网灵活等优点，形成一种配置方便、速率较高的家庭局域网络，并且逐渐成为无线通讯领域发展的新方向，主要在不同设备之间的网络互联中发挥作用，从而增强系统的功能，最终实现对家居设备的智能控制。

早在MWC 2012开展前，就曾有人做过预测，机器与机器之间的通信将成为最大的看点。而在之前的美国CES上，智能手机在家庭网络中的应用成为了最重要的主题。M2M对于传统运营服务商来说，同样是一个新兴的行业。MWC的主办方GSMA曾经声称仅仅对于移动运营商来讲，在2020年这一领域的市场将达到1.2万亿美元[2]。无独有偶，今年的MWC2015上，智能家居精彩的亮相，让我们对其未来的发展充满信心。

1.2 ZigBee技术

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种新兴的近距离、双向的无线通讯技术，是一种介于蓝牙和无线标记技术之间的技术提案。主要应用于近距离的无线连接。其主要优点有：

（1）低功耗。这是ZigBee的主要优势。在低耗电待机状态下，1节5号干电池可以支持1个节点工作3～12个月，甚至更长；

（2）低成本。ZigBee免协议专利费，且每块芯片造价仅约2美元；

（3）低速率。ZigBee工作速率在20～250 kb/s，分别提供 250 kb/s（2.4 GHz）、40 kb/s（915 MHz）和20 kb/s（868 MHz）的原始数据吞吐率，可满足低速率传输数据的要求；

（4）短延时。ZigBee响应速度快，节点连接进入网络仅需30 ms，同时也节省了电损耗；

（5）高容量。ZigBee可有星状、片状、网状等多种网络结构，最多可组成65 000个节点的大网，具有超高的网络容量。

智能家居系统的调控信号数据量相对较小，传输速率要求不高，低成本、短延时的ZigBee技术在智能家居系统的应用中体现出明显优势。

2 总体设计

2.1 设计思路

万能遥控器是智能家居系统中的重要组成部分。市面上目前已有手机万能遥控器的相关产品，这些产品主要是运用相关硬件与手机的USB接口、蓝牙或者耳机接口相连，再通过配套软件来实现红外发射功能。这样，尽管可以达到遥控目的，但势必会造成手机原有功能（即耳机接入、蓝牙或者USB数据传输）暂时被搁置，我们以此为突破点，将原有手机、软件与外接设备做成一个整体，通过另一台移动设备经特定软件与该手机相沟通，通过控制该“中介手机”来实现万能遥控的目的。图1所示是本设计的设计思路图。

2.2 硬件部分

为了实现用手机万能遥控，需要在现有的无红外功能的智能手机以外添加一个硬件模块，从而达到通过发射红外线控制电器的目的。

通常，智能手机可进行信息输出的接口是USB接口和耳机接口。但是，不同品牌与型号的手机，其USB接口的型号与形状都不尽相同，典型的如iPhone的USB接口——扁长条形的30-pin接口，而Samsung手机的USB 接口则比普通Android手机短。因此USB接口若作为外接红外设备的连接口，则需要多种型号，通用性低，制作难度加大。

相反，耳机接口对于绝大多数智能手机来说，口径基本一致。若采用耳机接口作为硬件设备连接点输出控制信号，那么，适应性或通用性比USB接口好得多。经比较，本课题采用耳机接口作为控制红外信号发射的硬件部分的连接口。

该硬件部分的输入端直接连在智能手机的耳机接口处，它的功能是将该接口处输出的含有高低电压信息的信号转化为符合一定编码规律和标准的红外遥控信号。

本课题会将上述硬件与手机看成一个整体，作为红外信号发射的中介，而另一台移动设备通过相应软件对该中介进行控制。

该设计优点是保留了原移动设备的完整功能，缺点是同时也增加了成本。图2所示是其硬件设计框图。

2.3 软件部分

2.3.1 中介平台部分软件

该软件部分通过使用智能手机Android操作系统作为平台，在此基础上编写相应软件，从而操纵红外线的发射模块。该软件部分所实现的功能如下：

（1）遥控器面板的选择和绘制；

（2）音频电压信号从耳机接口的输出；

（3）遥控器面板上的按键触发后有其对应的音频输出信号，该信号应与要发出的红外遥控信号相匹配。

2.3.2 移动设备部分软件

该软件部分使用智能手机iOS/Android系统作为平台，在此基础上编写相应软件，从而操控中介手机来实现红外发射，达到万能遥控的目的。本移动设备的运行实现设计如图3所示，其软件部分所实现的功能如下：

（1）遥控器面板的选择和绘制；

（2）移动设备与中介手机画面同步；

（3）移动设备上的操作可同步化控制中介手机，从而实现万能遥控；

（4）iOS系统与Android系统软件的相互沟通。

3 结 语

物联网是当今科技发展的主流趋势，是当今世界经济和科技发展的战略制高点之一，据估计，2016年的总产值将超过一万亿元。

本课题是在原有手机万能遥控器外接产品的基础上的再研究与创新，虽增加了设计成本与软件设计的复杂度，但同时也给用户的使用提供了便捷，相对完整的保留了移动设备原有功能，提高了技术含量，可增加市场竞争力，升级了智能家居的用户体验，适应了今后物联网发展的需要，具有很大的发展空间。

参考文献

[1]工信部电信研究院.物联网白皮书（2011）[R].中国公共安全（综合版），2012（3）：3.

[2]陈家奇.移动设备与家电设备互联技术研究[D].南宁：广西大学，2012.

[3]陶在红，杨宇，常建华.基于ZigBee的智能家居控制系统设计[J].现代电子技术，2014，37（23）：17-20.

[4]程静涛.基于物联网技术的网络智能家居远程控制系统的设计[D].天津：天津大学，2012.

[5]应金辉，张珣，应国德.智能家居远程控制的信息安全研究[J].物联网技术，2013，3（9）：61-64.