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智能家居无线网络的设计

智能家居无线网络的设计

本文阐述了智能家居在中国大陆近几年来的发展,并对其和ZigBee模块进行较详细的前景分析,同时还研究了智能台灯的相关制作,AT89C51的引脚解释,及其余光照模块,显示模块及温度模块的介绍,完成了简易的智能台灯控制与操作,达到了节能减排的目的。

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  • 详细描述

    智能家居无线网络的设计
    摘要
       物联网正改变着我们的生活。物联网智能家居具有方便性,可控制性,环保性等特点,一直以来受到了诸多公司及消费者的青睐,而意义就在于改变现代人的住宅生活,发展人性化科技,改变了传统生活单调繁琐的格局。同时,还研究了ZigBee模块,近几年来,ZigBee芯片知名程度不断提升,其简单的构造及可靠的数据传输方便了事物之间的联系,达到了信息交换、互联的目的,物联网智能家居的性能,优缺点,ZigBee三种结构,如何通信,,使用它可以达到哪些目的,这都是需要人探究的问题。
    本文阐述了智能家居在中国大陆近几年来的发展,并对其和ZigBee模块进行较详细的前景分析,同时还研究了智能台灯的相关制作,AT89C51的引脚解释,及其余光照模块,显示模块及温度模块的介绍,完成了简易的智能台灯控制与操作,达到了节能减排的目的。
    关键词:智能家居;ZigBee;智能台灯;节能减排

     一、绪论
    (一)、智能家居的起源,简介定义和功能
    1、智能家居的起源
    二十世纪八十年代,一窝蜂般大量涌入市场的电子技术电器出现的那一刻,电子化的智能家居住宅也开始崭露头角。上世纪90年代中期,有人将家用电器,通信设备和人身安全设备的消防安全保护,三个功能集为一身之后的概念,便形成住宅自动化这一词。而在这个世纪末,随着电子通信和相关的电子信息技术的改革,智能家居形成一种可以监视家居中各种通信、家电、安全保护设备用一种总线协议来控制与管理的商用系统,当时在大洋彼岸的美国称为Smart Home,这就是智能家居的雏形。
    用普通小区用户家庭作为模板,施加一综合布线技术,网络通信技术,和自动控制技术,音频等技术等科技的智能家居将普通民居变为信息化智能化的家居生活,构建一个智能化的家居管理系统,以便提高家居的安全性,舒适性,价值性,达到节能环保的理念。
    2、物联网智能家居的简介
    智能家居,换言之,智能住宅,老外则称为Smart Home。当然,和智能家居的词意思相近的,如电子家庭,家庭自动化,数字家庭,家庭网络,智能家居建筑,家庭科技收藏馆等等。更有趣的是,在中国的香港和台湾地区,以及数字家庭,数字家居已知的方法。
    3、智能家居的定义
    智能家居,不仅仅作为一个栖身之地,更是安置高科技的一座居民宅,智能家居便是融汇了多种科技元素的住宅。
    发展过程中,综合布线技术的应用,网络通信协议,安全意识,基于自动控制技术和设备,音频和视频技术和其他相关智能家居技术嵌入其中。但是因为有异同点存在于这个高新技术的发展项目及技术之间,选用综合布线方式成为全新家居模块的主流技能,但选取综合布线的客户及家庭也不在多数,也存在个别特例,就像电力载波啊,所以不管是哪种处境,也应该有其相互应的信息技术来实现所需的信号传输任务,故网络通信技术也成为了智能家居集成中一个不可或缺的技术之一。当然,当然,安全问题是非常重要的,安全技术在智能家居系统中享有优先权和优先技术实施,在居民楼普通用户家庭内能够看见、远程掌控、防小偷智能报警,凡是能够装有像RFID这种科技的小区只有射频卡等,这种规模都能普遍利用。智能家居模块体系发挥到的“技能”还有就是电脑远程控制,它能够普遍的被应用在这些模块之中,在客户家居动力资源的科学配置及户主设日常办公行程管理起到了非常大的功效。为达成居民日常生活的安逸性,就要用到卡拉ok等娱乐休闲设施,他的优势就体现在MP3、MP4文件的按特定时间播放,或者真正的为户主设计一个家庭影院。
    智能家居也被称为智能化住宅。用通俗的话来说,它就是交汇了计算机远程控制化模块和网络通信模块于一身的、人性化的的安全科学掌控系统。帮助客户实现家居配置控制,在一个更简单的技术下,如移动电话,使用触摸屏,无线遥控,家里的电话和网络配置模块和语音识别,可以模拟执行场景操作,使多个设备形成联动;它还能够使居家中各种模块配置互相通信,即使不用客户的输入指令,也可以依照有差别的状况运转,使智能家居用户的生活变得安逸,放心,简易。
    4、智能家居的功能
    (1)、家居安防系统的功能:门,窗防盗报警功能;气,水,火报警功能;电视机、电脑等急用电器非正常运转防备。家园四周防小偷报警,监视器报警及智能大门识别人脸。
    (2)、家用配置掌控效力:通过手机远程掌握家庭照明控制效力;电视机、电冰箱运转状况掌握;卡拉OK家庭娱乐设施掌控。背景音乐及家庭影院模块,用水用电,智能长途检表模块 。
    (3)、家居综合布线功能:家庭局域网;Internet网络及通讯网络接口的强、弱电综合布线。 
    (4)、家居信息功能:自动办公系统家具的家庭信息管理。 
    (5)、小区管理系统停车场管理。
    (6)、草坪管理和自动洒水系统物业维修时间管理系统的安全性服务系。
    (7)、宠物等智能喂养管理系统。
    (二)、智能家居的发展经历,前景趋势与待解决的问题
    1、智能家居的发展经历
    随着它的诞生,它一定还会停留于接受期与发展期的阶段,它尚未改变广泛的民众消费观念,不过时间可以证明一切,它在未来市场上推广和普及会进一步得到重视。当然,重要的是培养起有关客户的消费理念与习惯,正因为它的高科技性能,将来在市场消费“后劲”是相当强大的。
    近两年,大陆内杰出的相关企业对这个行业市场的考虑愈加注重,尤其是针对客户的要求作出很好的相应,加以对长期变换的市场趋势作出研究。于是,一批批大陆内杰出的智能家居品牌像雨后春笋般快速“突起”,渐渐地在这行业内,慢慢的成为了该业中的佼佼者。 
    到2014年为止,智能家居在中国已经有了近20年的发展,由人们最初的梦想与假设,发展到现今的现实科技的智能家居,它昂首步入生活,走进我们的“天地”,而这光辉的一切背后却天眼了一次艰苦的进程。所以,通过多方的资料研究,我们把中国的智能家居发展历史分为四个大的阶段,分别是初始阶段、发芽阶段、低潮阶段、发展阶段。
    (1)、初始阶段(1994年—1999年)
      当然,固然是我国智能家居刚刚萌发在华夏大陆的发展阶段,由于是新兴科技产业,住宅家居行业还处在一个熟悉智能家居及其产品认知的阶段。所以,这时并没有出现专业的智能家居生产厂商,不过,在中国的珠江三角洲,只有深圳这座现代化的大都市,出现了一两家从事智能化家居的公司,查阅相关信息之后知道,像北美的X-10智能家居代办出售公司,他们做商品的销售及安装工作,但是,做出的产品却供给居住在大陆内的欧美客户,中国家庭并未享受到该技术的优越性。
    (2)、发芽阶段(2000年—2005年)
      随着申奥的成功,中国加入WTO之后,在祖国大地上建立起来的相关公司就有五十多家甚至更多,具体集中在深圳、上海、天津、北京、杭州、厦门等6个地区。之后,大陆诸多相关公司渐渐地学习并开发并培训出了智能家居市场营销的技术人才。但是,在此时间内,海外相关产品几乎没有在大陆家庭内出现过。
    (3)、低潮阶段(2005年—2010年)
        因为在上一阶段,我国的技术相关企业形成了不良发展和非法竞争的现象,在阶段前期,便给相关企业和行业送去了外界不好的口碑:包括吹嘘的不可能实现的智能家居技术的商家,鼓吹强大具有功能而实际上无法达到这种效果;或者是只想着开发商品代理,扩大公司规模,却疏忽了对代理商的监督管理,从而导致了相关部门的诸多问题,如:经营困难、产品不稳定而发生的多位用户投诉事件。之后,各大媒体曝光智能家居黑心企业不法宣传,欺骗老百姓,吹嘘功能夸大其词,这种不良反应直接引起销售额直线下降,供大于求,在这阶段的三年间,先后有多家企业退出了市场份额,拒绝再次代理或引进智能家居科技,各地代理商也因为资金和销售问题,最后也不得不结业转行。相关企业入不敷出,失去对此行业的信心,饱受资金紧张的痛苦,与此同时,国外智能家居企业“虎视眈眈”瞄准了国内市场,便纷纷进军到国内市场宣传、开发,如罗格朗、霍尼韦尔、施耐德、Control4等。幸运的是,国内自主智能化家居研究团队存续企业的国内部分,还逐渐找到自己的发展方向,如天津CHF,深圳索克特殊X10进行远程控制空调,便成为工业智能控制制造商。
    (4)、发展阶段(2011年—2020年)
       此阶段开始之后我国智能家居技术开始有光鲜的增长势头,而其中重要的行业背景就是其受到了房地产的调控。一个很好的例子能说明其开始有进一步提升的例子就是房地产商开始着手注重其发展,有房子,智能化才有用武之地。在接下来的三到五年,智能家居发展迅速,进入一个相对成熟的阶段,这是一方面。另一方面是互通和融合的开始与技术标准的协议,这是主流市场现象为行业兼并和收购。
      此阶段的后几年,便是智能家居真正大显神威的时期,随着电脑与计算机的普及,普通家居嵌入智能化的现象越来越多,这必然就引起了诸多厂商与公司为争市场拼个“头破血流”,这就造成了此阶段的弊端,就是市场竞争越来越强,不过,竞争越高,科学技术发展越快,老百姓会在很快的时间里见到许多不同的商品出现,总之,这个阶段是,智能家居赚大利润,收入最高的时期。
    2、智能家居的发展前景与趋势
    1990年初,中国智能建筑建设思想开始有萌芽,在接下来的时间里在全国各地蓬勃发展。其中,北京算是中国发展智能大厦的先驱者,紧跟其后的上海便矗立起101层的金贸大厦,深圳一直是珠江三角区的大城市,这座大城市也不甘示弱,紧接而起的高达69层的地王大厦便成了深圳的一座耀眼的市标、在广州而起的,80层的中信大厦,惊艳四座,当然,我们江苏也有引以为豪的品牌购物大楼,在南京,便涌出金鹰国际商城等一批智能科技大厦。
    据我国相关部门统计,到2001年年底,有大概2300幢智能建筑在我国大陆的土地上矗立而起。都是依照国际标准设计、施工与管理。而在此之后,更多的智能大厦会面向普通生活,如:学校,超市,图书馆,普通居民房等等,但是这必然带来一些问题,普通民居加入科学技术,本身成本会变高。而近几年,在深圳建立的一家图书艺术中心成本就有16亿元,而科技含量资金占16分之1,按照这种发展状态,在未来的两年会有一大批高科技建筑会树立起来。
    正式进入21世纪后,计算机科技的普及。人们对电脑的认知也越来越多,于是一大批的计算机软件开发出来,它们就相当于人的大脑,操作控制着事物,计算机的发展也必然带动着市场的发展,尤其是随着中国加入WTO,经济及科学技术与西方发达国家接轨,也带动着中国智能家居的变革,一些新的产品原料,或是新的项目科技等等,都促进着智能家居在中国大陆上的进程,从以前的历史,我们不难看出,中国的建筑在发生很大变化。
    不光是智能家居或是大厦,这其中有一个我们无法分离的,就是机电设备,在大厦中就是这个整体的大脑、枝干,智能家居的发展一定要适应机电方面设备的需要,来拉高智能家居自身价值与地位,建立起多元化发展的形象,很多的建筑智能化系统开始演变成为一个商业运营系统,可以为涉及该项目的人们提供各种服务。
    没有一件可见事物是不会被人们发现的,正因为如此,智能化理念会融入到你的身边,如医疗、工业、军事、教育等领域,它是一个无法从身边剥离的科技,它的存在为人提供远程控制数据,人身安全,商业机密,物流分配,娱乐消遣等等,能够成为一个具有投资价值服务系统。 
    何为智能化?智能就是要满足用户的要求进行实现某项功能,前提是可实现的,于是,有更多的管理要求出现,智能家居更新换代越快,他的管理就要跟上步伐,管理者或者开发员要要清楚自己对智能化的理解,在合法的范围内,给出一套体系,以此方便客户管理,降低成本,节约能源。
    智能家居的发展方向众多,其中主要集中在卧室窗帘收放,客厅灯光卧室灯光调节,远程控制家用电器,收集居家数据等等,控制的范围在不断增加,效益在提高,联动发展,产品延伸到客户的娱乐生活,智能卡拉OK,室内家庭影院,提供智能电视影音娱乐,家庭防盗门指纹声控鉴定,它几乎占领了家用物品即低功耗产品的控制权,方便户主生活,发展前景相当光明,收益不可估量。  
    现今,中国三大通信运营公司的发展迅速,他们可以运用其信息传输,及相关的网络资源,通过智能电视,计算机联网,对智能家居进行人性化的服务,当然除了三大通信公司,其他行业比如厨房用品,浴室卫生间用品,也会瞄准智能家居这个大领域,相继与智能家居合作,给户主的生活带去更大的方便。
    2009年,温家宝总理在视察无锡时提出了“感知中国”的理念,之后,物联网被正式列在国家长期发展项目之中,当然,也出台了像《物联网十二五规划》等一类的国家项目,物联网被认为是新世纪的国家生产力,其影响力不会单单只是在个别领域,它的发展会向整个行业进军!
    其实,我们自己在家就可以设定一块智能模块,方便我们的生活,如家中的电饭煲,及热水器,电冰箱,电视机我们可以采取远程控制,通过某些智能芯片集体控制达到远程操作,不在家便把家中的设配“预热”,在回家的路上便开始煮饭,回家直接吃饭。如家用的窗帘进行控制收放,保护个人隐私,门口路灯看时间调节开关或是室外亮度自行调节。
    家中娱乐设施的控制亦是如此,刚到家之前,手机一个指令便把家里音响开启,放着自己喜欢的音乐,就当是迎接自己回家,之前的智能电饭煲已经把香喷喷的米饭煮好,回家只需要煮几个菜,便可以好好地坐下来享受时光,吃完饭便是大片时间,智能电视,或者电脑下载好的高清影视剧,方便您在闲暇时光享受一场视觉盛宴,何乐而不为?这一切的一切便在自己一个远程控制器下方便的完成,真正做到了智能安全,方便的目的。
    物联网发展机遇是美好的,前途无量,正因为其适应时代发展节奏,才能够如此蓬勃,智能家居的实现就在不久的未来。
    3、智能家居需要解决的问题
    现如今,智能家居在中国蓬勃发展,虽然被越来越多的人所接受,但是物联网家具仍然存在诸多问题,而且设计方面较多,如:智能家居是否真正意义上实现安全保护,不透露隐私?家庭周边环境是否按人性化调节?照明设施是否人性化,智能家居是否达到可以长久居住的健康标准?家电用电量是否人性化?或者超额使用?智能家居是否提供安全应急响应系统?是否能完全满足户主要求?
    安全保护,涉及到户主的智能手机联动的智能家居系统,保护门窗,大门锁,及智能无线红外摄像头,对非法入侵家居的不法分子进行监控,以及第一时间呼叫户主和警察部门,煤气、家用热水器、火警等一氧化碳、可吸入颗粒报警系统。
    环境监测,可吸入颗粒物监测,温湿度调节,人性化设计,空调等。
    照明设施,在大门和家居各个房间,手动与声控智能开关相结合,分白天黑夜,灯光亮度调节,保护户主视力等等。
    健康观察,一年365天对户主进行健康查标,提供户主最呵护的生活标准。
    应急服务,在户主发生紧急情况,如遇火灾,无线热能感应系统自动切断家中电源,提供户主紧急求助按钮等等。
    个性化需要:每个人对家居的理念和需求不同导致了,各种各样的设计思想,单一的系统功能无法满足各个户主的需求,成为智能家居发展的一大难题。

    总结
    经过一个月的努力,过这次的物联网智能家居论文,我感受到了智能家居蕴含的巨大知识面,无论是对物联网智能家居定义的概述,发展前景的展望,对市场需求的分析,我也感同身受般的了解到智能家居技术家们,在此应用并未普及之前,付出的汗水,为了物联网智能家具的发展而想尽办法。确实,它涵盖了诸如ZigBee无线通信、RFID技术,计算机网络通信技术等等一系列高新技术,成本高,花费人力财力也是想到巨大。但是随着步入21实世纪,智能家居在国内市场的普及,作为物联网发展的一个方向,它有着很大的发展空间。
    其实本次课题对我来说还存在诸多难点,像复杂的电路系统我还不会设计出来,做出的智能台灯,开关是手动调节的,温度控制也只能做到与LED显示器同步显示的结果,并未做出自动测量。不过,本课题做出了由光线强度决定台灯闪烁频率到完全开启或熄灭的成果,已经达到了一定智能效果。
    总体来说,这次论文的设计还是比较顺利的,论文的一二部分是物联网的含义和发展前景等内容,其中介绍了物联网在现今中国社会的发展状况,其次在大陆市场的发展历程,物联网属于高新技术科技,运用到家居还需要一段时间,关键问题是财力和人力问题,造价贵是它的主要缺点,当然也需要些懂得这类技术的人员,由他们设计与规划。
    论文的后半部分主要分为整体的大概论述和细节模块介绍,整体就是设计的一个智能台灯的样本,它能够自动控制灯的亮度,按照白天黑夜的光照强度决定,
    有效地保护了使用者的视力,做到节能环保的效果。
    主要硬件部分就是AT89C51芯片,它是一个简单的单片机,有控制的作用,当然它就是整个系统的“CPU”。
    次要硬件部分包括,光强模块,开关,温度测量模块及LCD显示屏,做到温度模块与LCD同步显示。
    作为物联网学习者和工作者,今后定会将物联网发展的更好更贴近普通家庭,使得每一户中国家庭都有自己满意的家居,幸福的过着自己想要的生活。

    参考文献
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    [2]、翟雷,刘盛德,胡咸斌. ZigBee技术及应用[M].北京航空航天大学出版社,2011.
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    [4]、王幸之.AT89系列单片机原理及接口技术[M]. 北京:北京航天航空大学,2004.
    [5]、芯片手册[M],2008.
    [6]、刘海涛. 物联网技术应用[M]. 北京:机械工业出版社,2011.
    [7]、郭强. 液晶显示应用技术[M]. 北京:电子工业出版社,2000.
    [8]、苏麟祥. DS1820数字温度传感器的功能特性及其应用[J]. 世界采矿快报,2000.
    [9]、金伟正.单线数字温度传感器的原理与应用[J].电子技术与应用,2000.
    [10]、马忠梅,张凯,马岩.单片机的c语言程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.
    [11]、裘岚.C语言程序设计实用教程[M].北京:电子工业出版社,2001.
    [12]、何立民.单片机应用选集[C].清华大学出版社,2004.
        [13]、张猛,王瑞光,郑喜凤等.基于AT89C51的LCD显示模块应用[J].液晶与显
    示、2012.
    [14]、陈曦.智能家居控制系统的设计与实现[J].国外电子元器件,2003.
        [15]、谢自美.电子线路设计[M].武汉:华中科技大学出版社,2000.
    目    录
    一、绪论 1
    (一)、智能家居的起源,简介定义和功能 1
    1、智能家居的起源 1
    2、物联网智能家居的简介 1
    3、智能家居的定义 1
    4、智能家居的功能 2
    (二)、智能家居的发展经历,前景趋势与待解决的问题 3
    1、智能家居的发展经历 3
    2、智能家居的发展前景与趋势 4
    3、智能家居需要解决的问题 6
    二、Zigbee系统模块 7
    (一)、Zigbee含义 7
    (二)、Zigbee模块的主要特征与用途 8
    (三)、ZigBee模块的组成与结构 10
    (四)、ZigBee模块在中国发展的现状 11
    (五)、ZigBee技术的应用前景 12
    三、智能家居(智能台灯)设计 12
    (一)、方案介绍 12
    (二)、方案的优缺点 13
    (三)、系统框架示意图 13
    (四)、整体原理图 13
    (五)、系统选取材料 14
    四、控制系统设计 14
    (一)、AT89C51的简介 14
    (二)、AT89C51的内部结构模块图 15
    (三)、AT89C51用到的引脚 15
    五、光线强度检测模块 16
    (一)、ADC0832的简介 16
    (二)、ADC0832光线检测元件特点 17
    (三)、ADC0832芯片接口说明 17
    (四)、ADC0832控制原理简述 18
    六、温度传感器系统设计 19
    (一)、DS18B20的简介 19
    (二)、DS18B20技术性能描述 19
    (三)、DS18B20引脚定义 19
    (四)、DS18B20工作原理简介 20
    七、其他系统部件介绍 21
    (一)、LCD1602简介 21
    (二)、管脚功能 21
    八、系统程序代码 22
    九、总结 25
    十、参考文献 26


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