关于融合网联车辆的智能家居协同监控系统的设计
0 引言
物联网作为继互联网之后的最具时代意义的科技创新，以“万物互联”为理念，利用先进通信、传感、智能控制技术，将任何物品连接入网，突破了物与物之间的空间限制，通过与目标物品进行实时信息交互，实现对目标物品的感知、定位、跟踪、监控和管理[1]。物联网概念的提出及其相关技术的快速发展，打破了各行业发展的思维局限，尤其为智能家居和汽车行业的跨时代发展和革新提供了巨大动力和空间，使得基于物联网的智能家居和车联网两大物联网的具体应用日益成熟完善。
智能家居概念最早由美国于20世纪80年代提出，为了使人们的家居生活更加安全、舒适、便捷、智能化、个性化，智能家居在传统家居的功能上，增加了信息交互功能，使人们可以获取家居信息并控制家居相关设备[2]。至今，随着物联网的引入，智能家居已经进入第四代发展，其突出特点是系统内家电无线组网，并接入移动互联网，使用户通过移动终端与家居实时信息交互，实现对家居个性化、智能化的远程监控[3]。
汽车已经成为人们出行普遍选择的代步工具，汽车保有量逐年呈爆发式增长，使得交通事故、交通拥堵、环境污染等成为当前面临的严峻问题。车联网是融合车内网、车际网以及车载移动互联网为一体的，基于一致的通信协议和数据交换标准，在车与车、车与人、车与环境之间进行无线通信及信息传输，实现车辆智能化控制、智能动态服务、智能交通管理的一体化网络[4]。车联网的日益完善为解决交通出行中的问题提供了更为有效的思路与手段，同时也实现了人们出行过程中的高度信息化，大大提高了人们在行车过程中对时间的利用效率。
当前社会处于高速发展时期，人们的生活节奏日益加快，其紧张程度也随之增高。高效利用时间，使人们可从外归家即可享受到舒适、个性化的家居生活是智能家居需要达到的主要目标。本文为了有效利用行车时间，使人们可在驾驶过程中便捷有效地对家居进行远程监控，实现人们归家即可无缝享受舒适、个性化的家居生活，将车联网与智能家居相结合，设计融合网联车辆的智能家居协同监控系统，基于车辆与家居的实时状态信息，通过车载终端实现对家居的远程监控。
1 系统总体设计
1.1 网络组建方式
智能家居网络是协同监控系统需要内网和外网将系统内各关键部件联系起来，从而实现信息的传递、交互以及远程监控。
内网是智能家居网关与众多智能家电相互联而形成的网络。当前，智能家居系统的内网一般分为有线和无线两种。有线内网多采取总线连接和电力线载波的方式实现。由于多数家电均可移动，位置不固定，而且室内布线繁琐，使得安装调试成本高。故对于含有多智能家电的智能家居系统更适合以无线的方式组建内网，无线网络可覆盖室内空间，家电可根据需求在室内移动[5]。在无线组网采用的通信技术方面，射频识别作为技术最简单、成本最低的无线通信技术，由于单向通信、易受干扰等缺陷已逐渐被淘汰。目前，智能家电单品多采用WiFi与智能手机通信，但由于WiFi节点的高成本和易掉线，故在容纳众多智能家电的智能家居系统中较少应用WiFi通信。由于ZigBee技术通信距离足够覆盖室内空间，成本、功耗、复杂度均较低，有自组网能力，采用多通道双向通信，可容纳节点数量大，抗干扰和中继能力都相对较强，在智能家居系统中得到了广泛应用[6]。综上，本文的智能家居协同监控系统内网采用ZigBee技术组建。
传统的智能家居远程监控系统多采用计算机在固定位置实现对家居的监控，且为了保证信息交互的实时性，外网大多采用Internet网络。而本文以移动的车辆作为监控终端，故采用4G移动通信实现信息交互。4G移动通信技术作为新一代移动通信技术，仍然支持3G和WLAN多模式通信，可不依靠电缆直接实现信息高速传递，4G通信的下行速率高达100 Mb/s，20倍于3G通信的速率，上传速度也可达到20 Mb/s[7]，其通信性能足够满足本文系统的需求。
1.2 系统构成
本智能家居监控系统由智能家电、智能家居网关、数据处理及服务云后台、智能网联车辆构成，整体架构如图1所示。
智能家电在传统家电基础上，融合微处理器、传感器技术、网络通信技术，使其可自动感知室内空间状态、家电自身状态、家电服务状态，且可自动控制及接收用户控制指令。本系统由于采用ZigBee通信技术建立内网，要求系统内的各智能家电需配置ZigBee通信模块，从而实现与智能家居网关的信息交互。本系统节点可扩展，可不断接入带有ZigBee通信功能的智能家电。
智能家居网关是联通内外网的关键。智能家居网关对内与室内所有智能家电节点建立ZigBee通信连接，对外与数据处理及服务云后台通过互联网连接，实现通信模式的转换以及内外信息的交互。
数据处理及服务云后台具有数据储存、分析处理、智能决策等功能，通过互联网实时接收智能家居网关发送的智能家电状态信息，采用4G接入技术通过4G移动网络与智能网联车辆实现信息交互，令车辆内用户实时获知室内家居状态，并可根据用户指令进行智能决策，并对室内家居进行远程控制。
在行车过程中的用户通过智能网联车辆实现对家居的监控，智能网联车辆搭载4G通信模块、GPS定位模块以及车载终端，用户在车辆中通过车载终端与本系统进行交互，用户可通过触屏令车载终端显示实时的家居信息，并对系统下达远程控制指令。
2 系统实现方案
2.1 ZigBee通信模块
本系统采用ZigBee通信建立内网，实现各智能家电与智能家居网关的信息交互，所以每个智能家电以及智能家居网关都需要配备ZigBee通信模块。本系统采用统一的ZigBee通信模块。
ZigBee通信模块的核心射频芯片为CC2530。该芯片融合了性能优良的RF收发器，适应2.4 GHz IEEE 802.15.4，接收灵敏度极高，且抗干扰性能强大，可编程的输出功率高达4.5 dBm，只需极少的外接元件和一个晶振即可满足网状网络系统的需求；CC2530集成了具有代码预取功能的低功耗8051微控制器内核，具有32/64/128 KB可编程闪存和8 KB的RAM；芯片具有全面的外设，包括5通道DMA、多种定时器、8路输入可配置分辨率的12 bitvwin 数字转换器、AES安全协处理器、2个支持多种串行通信协议的强大USART、21个通用I/O引脚等[8]。为了实现ZigBee模块与各个智能家电和智能家居网关间的数据交互，采用电平转换芯片MAX232实现串口连接。
2.2 智能家居网关
智能家居网关是本智能家居协同监控系统联通内外的关键，是室内各智能家电与数据处理及服务云后台连接的桥梁。智能家居网关通过ZigBee通信模块与室内各智能家电连接，并通过以太网接口与互联网连接，从而实现数据处理及服务云后台与各智能家电的信息交互。
本系统的智能家居网关采用Atmel公司的AT91SAM7X256作为核心处理器，并外接AT86RF230芯片构建以太网接口。图2为常用的面向AT91SAM7X256的以太网接口电路原理图[9]。
本智能家居网关需要实现多任务协调运行，主要任务如下：
（1）通过以太网连接数据处理及服务平台实现数据交互；
（2）通过ZigBee模块实现与室内各智能家电的数据交互；
（3）通过WiFi与手机互联实现信息交互；
（4）按照一定的策略对室内各智能家电进行主动控制；
（5）储存记录设备动作以及用户操作事件；
（6）允许用户通过HMI对网关进行控制规则、通信接口等方面的配置，并可查看设备状态。
为了实现众多任务的协调运行，基于μC/OS-Ⅱ实时嵌入式操作系统开发智能家居网关软件平台，并合理设定各个任务的优先级，尤其是与通信相关的任务要设定较高的优先级。对于以太网通信任务，由于其通信速度最高、传输的数据量最大，数据中可能包含重要的控制指令或安全预警信息，必须及时处理以防被后续数据覆盖，故以太网通信任务的优先级最高，其次是ZigBee通信任务和WiFi通信任务。
2.3 数据处理及服务云后台
数据处理及服务云后台要求与众多智能家居协同监控系统的智能家居网关和智能网联车辆关联，为众多用户提供多样化、个性化的智能家居协同监控服务。
数据处理及服务云后台的核心是数据库服务器，该服务器一方面接入互联网与智能家居网关进行信息交互，一方面通过4G通信模块接入4G移动网络，与智能网联车辆进行信息交互。由于访问云后台的用户众多，所以服务器必须支持并行运行机制，可同时处理多事件。
采用VC++开发数据管理软件平台，并使其与Oracle数据库关联。需要实现各网关传输而来的包括视频数据在内的智能家电数据的储存和发送，并建立面向独立智能家电控制和多智能家电协同控制的规则库及算法，在接收到用户需求指令后，实现对智能家居的远程控制和面向用户的智能家居数据传输，云后台也可对储存的智能家居历史数据进行统计分析。
2.4 车载终端
本智能家居协同监控系统主要面向行车过程中的用户，故开发车载终端实现用户对智能家居的远程监控。本车载终端需要与数据处理及服务云后台通过4G移动网络实时连接，并实时接收车载GPS和车辆总线中的数据，采用安卓系统并开发面向安卓的应用软件实现本系统所需功能，并带有导航定位、安全辅助、车载娱乐、信息服务等车载终端普遍应用功能[10]。车载终端系统结构如图3所示。
考虑到车载终端的可拓展性，车载终端硬件主要由核心板和底板构成，核心板的中央处理器采用三星开发的适用于智能手机和平板电脑等多媒体设备的应用处理器S5PV210，该处理器采用了ARM Cortex TM-A8内核，主频可达1 GHz，有齐全的外围接口。S5PV210通过各种外围接口与GPS、CAN通信模块、4G通信模块连接，实现GPS数据和车辆总线数据的接收以及基于4G的无线数据交互。底板采用ARM7作为核心处理器，将收音机、电源管理等非核心功能由底板处理。核心板与底板间采用串口进行数据交互。
在安卓系统下，开发本系统的智能家居协同监控应用软件，该应用在4G通信、实时导航信息获取的基础上，开发实现本智能家居协同监控系统的各项功能，令用户在行车过程中可远程对室内家居实现监控，在达到目的地时即可立即享受舒适的个性化家居生活。
3 系统功能
本系统以智能网联车辆作为智能家居远程监控终端，不仅可实现常规智能家居系统的各项功能，也具备有移动性、协同性的智能家居监控功能。
系统内接入的智能家电均有其各自的控制策略，用户在车中通过车载终端的应用软件，经由4G移动网络、互联网、ZigBee网络即可对系统内的各智能家电进行控制，并可实时在车载终端上查询各智能家电的状态信息。
在安防方面，用户可通过车载终端实时查看由室内各处摄像头拍摄的视频图像，在开启安防预警系统后，室内安装的烟雾、燃气、漏水、门窗安全相关检测器开始工作，当出现导致人身和财产损失的各类危险时，立即向用户预警。
为了能在用户到达家中时无需等待就可享受智能家居服务，本系统根据用户行车过程中的实时导航信息和交通状态，估算用户距离到家的时间，并按照用户的个性化要求，实时对室内家电进行控制。对于需要准备一定时间才能提供服务的家电，如热水器、电饭煲、空调、饮水机等，根据用户的个性化使用需求计算准备时间，并预测用户的到家时间，由系统估计合理的时刻令家电开始工作，并根据用户的动态信息实时调整对各家电的控制策略。对于可立即提供服务的家电，比如电灯、窗帘、电视、影音设备等，系统基于用户的位置信息，当识别出用户即将到家时，自动对此类家电进行控制，从而大大减少用户的等待时间。
系统也可根据用户以往对智能家电的使用历史数据，统计分析用户的对各家电的使用习惯，从而主动通过车载终端询问用户是否按照习惯对目标家电进行智能控制，从而简化了用户的操作流程。而且系统可根据用户习惯定制个性化的智能家居服务，在征得用户同意后，若用户同意执行该服务模式，则一键即可使多个智能家电协同进入工作状态。例如系统为用户定制家庭影院模式，则一键开启后，系统协同控制影音设备、空调、窗帘、电灯等家电，在用户到家时可立即观看电影放松身心。
4 结论
本文面向行车过程中的用户，将车联网与智能家居相结合，提出了一种基于网联车辆的智能家居协同监控系统，并对系统的架构、实现方案及典型功能进行了说明。提出的系统创新性地引入4G移动通信，并开发车载终端使智能网联车辆成为智能家居系统的远程监控终端，使车联网和智能家居两大物联网子系统建立起了联系，使用户在长时间的行车过程中也可实现对远程智能家居的监控，有效利用了用户的行车时间，并为用户带来了及时的、全方位的家居生活服务。
在“万物互联”的物联网思想和智慧城市建设的推动下，各个物联网子系统互相交叉与融合将成为未来的发展趋势，因而本文所提出的系统具有一定的指导意义和实际应用价值。
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