基于物联网的智能家居系统作者：李社蕾周磊刘杰朱志聪来源：《物联网技术》2014年第09期摘要：针对目前智能家居系统二次升级难度大、控制功能有限以及无法顾及特殊人群等问题，提出了一个集嵌入式BOA服务器搭建、脑电波控制、物联网RFID 等技术为一体的智能家居信息平台的设计方案，该方案可以通过Web页、语音以及手持设备（iPad、手机、笔记本电脑）通过主控中心实现远程跨平台控制家电的功能，并具有智能安防、智能影音等功能，此外，还加入了世界前沿科技的脑电波技术，可实现用户与智能平台的信息化沟通，从而为老人、小孩以及残障人士使用智能家居系统提供一套解决方案。

关键词：物联网；RFID；脑电波；智能家居中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）09-0040-040 引言随着人们生活水平的提高，家居生活从过去的追求豪华装修发展成为追求家居的智能化。

同时近二十年来移动通信技术、物联网技术、传感器技术也得到了飞速发展，促使智能家居也从概念开始慢慢走入人们的生活。

智能家居系统作为一套高科技含量的家庭生活产品，在国内不少城市的中高端楼盘，得到积极的配套开发。

智能家居行业在中国乃至全世界都有广阔的前景，是一个朝阳产业，就目前的发展趋势，预计在今后的几年内全世界将有近亿的家庭构建起智能、舒适、高效的家居生活[1]。

本系统综合了以往智能家居系统的优点，从多角度来设计一种新的智能家居系统。

与智能家居系统通信网络的核心目标不同，智能家居系统中的控制网络需要一种速率不高，但是对成本控制要求严格的网络架构，控制网络实现的是设备的互联和控制功能，不需要高速率、高实时性的通信网络来支撑，从实用的角度来考虑，控制系统应是通信更为灵活、成本更低的自组织网络。

同时结合国际前沿最新的脑电技术，开发脑电信号触发管理系统，综合应用嵌入式技术、脑电波信号识别、语音识别、RFID等技术，研究并设计一套基于物联网的智能家居远程监控系统。

1 物联网智能家居系统背景1.1 国内外脑电波研究动态NeuroSky（神念科技）在近年申请意念耳机的技术专利并开始发布相关产品，NeuroSky 意念耳机利用干态电极传感器采集大脑产生的生物电信号，并将采集到的讯号送入核心芯片，该芯片是将原始脑电波信号的采集、滤波、放大、A/D转换、过滤环境噪音及肌肉组织运动的干扰、数据处理及分析等功能完全集成到一起，并透过电脑传出的以数字化参数方式对人的当前精神状态进行度量的算法，进行计算后即得到可量化的参数值[2]。

神念科技目前已经做了干式脑波的基准测试[2]，把干式传感器系统测量的脑波信号与Biopac系统发出的信号相比较。

Biopac是广泛应用在医学和研究应用程序的湿式电极脑电系统。

神念科技的脑电系统使用的是镀金的干式电极，而Biopac用的是一次性银-氯化银电极加导电胶。

测试时将干式传感器与Biopac两个系统的电极安装在了同一个位置，紧紧地靠在一起但并不互相干扰。

测试两个系统所记录被测者在不同状态下的脑波，包括放松状态、冥想状态、警觉状态以及眨眼干扰下的状态。

测试结果显示二者性能相近。

近年来，在辅助高龄老人和残疾人的设备中，不依赖于肌肉和身体动作或者声音指令，而仅仅采用脑信号和外部世界相互作用的脑机接口（Brain Machine Interface，BMI）技术受到高度关注。

本文采用日本理研BSI-丰田协作中心（BSI-TOYOTA Collaboration Center，BTCC）开发的125 ms响应电动轮椅控制系统。

1.2 当前我国智能家居发展现状物联网智能家居作为一个方兴未艾的蓝海市场，受到越来越多的房地产开发商、网络服务商、设备制造商和电信运营商的关注。

房地产开发商把“全智能”作为二十一世纪房地产开发的主题，网络服务商推出家庭网络共享，设备制造商推出各种智能家居设备，中国移动推出“宜居通”，中国电信推出“我的e家”打造5A数字家庭，但智能家居发展中还存在许多问题[3]。

首先，在智能家居的推广宣传上让人们想到的可能就是高端、奢侈、别墅等字眼，但购买奢侈品、住豪华别墅的毕竟是少数，因此对于智能家居的宣传推广应不单单是向人们描述智能家居能实现哪些美好的场景，更应从消费观念上引导消费者，带动和培养处于财富金字塔中层人群对智能家居的消费。

智能家居市场还在逐步发展的阶段，在体验式营销中应建立更多的适合大众消费的体验中心，逐步扩大智能家居产业的消费群体[4]。

其次，缺乏规范的、统一的行业标准，产业核心技术有待突破，应用模式有待创新，产品稳定性可靠性还有待进一步提高。

最后，就是目前市场上的智能家居产品是需要专业的技术人员到现场安装调试才能够使用，这样就会增加一定的服务费用[5]。

纵观现今市场现有的成熟智能家居产品，普遍价格昂贵，系统二次升级开发难度极高[6]，功能普遍局限在智能电器控制上，并且操作较为困难，市场用户群体无法顾及老人、小孩以及残障人士。

开发一套功能完备，具有开发潜力，能兼顾更多人群的智能家居产品已是当务之急。

本系统主要分为电气控制、家居安防和影音娱乐三个主要模块，其中电气控制又分为智能照明系统、智能风扇系统、语音控制系统。

家居安防由远程视频监控以及指纹识别构成，整体如图1所示。

3 系统网络架构设计用户访问系统均通过VPN网络访问，网内模块之间采用串口通信、Socket通信、RFID组网通信等方式进行信息的交流。

其结构如图2所示。

在这套系统中RFID肩负着主控中心与电器控制单元的交流任务。

其中，发送端RFID模块在接收到主控中心的控制信息后及时将控制命令以2.4 GHz射频信号发送出去，接收端RFID从系统启动开始，便处于随时监听状态，当监听到发送端发来的控制信号后，即时转化为电器控制单元命令信号，并以串口通信的形式，将命令发送给控制单元，从而实现整套系统的无延迟工作。

其次，因为RFID的远距离通信效果比较好[7]，所以摆脱了从主控中心到家用电气之间的布线问题，从经济角度提供了良好的解决方案，并且日后如需扩展家用电器控制单元，只需要从主控中心添加相应的规则，并且从控制单元接入相应的家电设备即可。

4 系统硬件设计4.1 系统主控中心的硬件结构在本系统中，主控中心为控制整套系统的灵魂所在，一方面负责提供给用户界面来及时的获得用户所需的要求；另一方面在接收到用户的请求以后也要及时的对用户请求进行处理，并将相应命令转发给下面的模块进行二次处理。

因为顾及到处理的效率速度等多方面原因所以考虑采用可以高效处理多线程与数字信号的高性能处理器S3C6410[8]。

其硬件结构如图3所示。

考虑到多路继电器的复用性以及接收端RFID的可控性，以及高稳定性要求，选取AT89C52作为电器控制模块的主控芯片。

视频监控的方法是通过访问BOA服务器方式开启，当开启后，用户可以通过刷新页面的方式及时的获得摄像头所采集到的图像信息，并且用户可以通过BOA服务器关闭监控功能。

监控模块设计原理是：当用户启动监控以后，系统运行加载摄像头驱动，将采集到的图像信息编码为16位（单一像素点）信息，其中RGB各占5位，6位，5位，通过获取到图像编码后的数据，在服务器中生成test.bmp格式的图像文件（每1 s重复覆盖生成一次），之所以采用BMP文件格式，是因BMP文件构成简单、无压缩，除图像数据外，文件头信息较容易编写。

在服务器提供的HTML页面里，将直接获取服务器文件下的test.bmp文件，供用户浏览。

本系统选用了S3C6410作为主控中心核心板处理器，核心板底连接了一个RFID射频收发器，利用2.4 GHz频段进行控制命令的转发工作，以及OV9650摄像头模块，指纹识别模块，语音模块分别用于采集视频信号，验证用户身份以及提供本地用户更为方便的语音控制模式。

电器控制电路五路继电器模块组，继电器模块组由51单片机作为控制芯片，串口RXD，TXD 连接另一个RFID接收模块组，51芯片工作内容为操控RFID接收端接收RFID发射端发射的指令，完成继电器模块组的操控。

另外本系统用无线路由器，作为网络传输的通道使用。

详细的组网关系图如图4所示。

本系统用到的硬件模块分别有基于S3C6410为核心的ARM11核心板一块，RFID模块两个，电气设备控制模块一个，演示用电器设备一套与手持设备一个，脑电波采集器一个，无线路由器一个，摄像头模块一个，语音识别模块一个，指纹识别模块一个。

5 系统功能实现本系统的主要功能有以下几点：（1）主控中心运行后加载Linux系统，并完成QT4用户交流界面的初始化。

（2）开启BOA Web服务器，允许外部网络用户通过无线路由器Wi-Fi接入服务器并返回HTML页面。

（3）用户在浏览器登陆成功后（支持HTML协议浏览器的各种平台），服务器返回相应的控制界面，供用户控制相应的电器设备。

（4）用户登陆成功后也可在浏览器启动脑电波监控装置（只支持Windows XP SP3或以更高版本平台，并且安装写好的相应脑电波监控程序，系统会自动调用）。

（5）主控中心，监听HTML报文，返回用户需求网页数据以外，监听用户的控制请求，若收到用户的控制请求，调用相应的控制程序。

（6）控制程序运作流程为：调用串口驱动程序，完成命令数据向RFID发送端设备的过渡，并最终由RFID发出。

（7） RFID接收端在接收到发送端传来的数据时，以串口的形式，发送给多路继电器。

本系统软件的整体结构如图5所示。

图6所示是系统的主控中心控制结构图，系统在主控中心上搭建嵌入式Web服务器实现跨平台访问，实现了远程监控和控制用户电器设备的目标。

采用QT4制作的界面，当开发板Linux启动后，直接调用了编译好的QT4程序无需二次启动，用户可以通过触摸屏直接控制在浏览器中的一切控制功能，并通过对EEG设备采集到的信号进行分析计算，完成数据的处理分析，再将最终处理结果通过网络传达给控制中心，由控制中心下达最终命令来达到控制相应用户电器。

本系统具有如下特点：（1）系统应用了蓝牙、Wi-Fi 、RFID 等无线技术，可以尽可能少的布线。

控制程序位于BOA服务器程序池内，当BOA服务器接收到用户控制请求时，服务器便从程序池中调用相应的控制程序。

控制程序原理为通过Linux库函数调用串口设备驱动，完成将控制命令传达给下一模块RFID发送设备。

（2）系统对于无线路由器无任何冲突限制，用户依然可以自由上网。

（3）系统采用HTML协议用户通信，对平台的支持性极高，经过测试，安卓、Windows、苹果等平台皆可正常运行。

（4）系统采用模块化设计，各模块之间采用独立的工作机制，单一模块的选择性增减，不影响整体系统功能的使用，为用户提供了多种选择性方案，为用户二次升级设备提供了便利。