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基于4G网络新型智能家居系统
一、引言
在城市人民生活品位日益提高的当代,人们对居住环境的质量、舒适度、交互性和方便程度都提出了更高的要求.同时,科技的进步,如计算机技术、嵌入式技术、高速远程通信技术和高精度传感器技术的飞速发展,也为智能家居的应运而生奠定了良好的基础.智能家居是一套复杂的系统,其指以居住房屋为载体,将人们日常生活中所需要接触到的设备,如家用电器、住宅管网和电子家具等,利用综合布线技术和局域网通信技术将其有机的整合起来,再辅以自动控制、系统安全、事务管理等技术,形成一个舒适便捷、易于管理、节能环保的家居生态圈.我国很多智能家居还只是停留在简单的识别感应阶段,整个系统缺乏安全保护和远程遥控能力.随着我国无线通讯网络全覆盖的基本实现、电子科学技术水平的高速发展,相信我国的智能家居研究将很快赶上并超越世界水平.
二、系统设计和研究
作为一个复杂而精妙的系统,根据各个部分在系统中的位置,智能家居系统大致可以分为如下三大子系统：远程通信子系统、管理子系统和功能子系统.而子系统又可以根据详细功能进一步的模块划分,远程通信子系统包括数据收发模块、安全认证模块和终端软件模块,管理子系统包括自动控制模块和数据交互模块,功能子系统则包括家居环境数据监测模块、家电/ 家具功能部件模块安全.远程通信部分是在智能家居系统走向广泛应用的关键.通过远程通信,可以实现家居环境数据的远程实时监测、水电气等公共设施相关数据的远程读取、家用电器的远程操控,用户可以在任意时间任意位置通过远程设备掌握自家住宅的各种信息数据以及进行相关的设备管理和功能操作,为生活提供极大的便利.远程通信的核心就是通过无线通讯网络实现相关信息数据的实时交互.相较于卫星通行和无线电通信,移动网络通信以其传输成本和传输距离方面的优势,成为了智能家居系统远程通信方式的首选.传统的GPRS（General PacketRadio Service,通用分组无线服务）通信方式完全无法满足智能家居远程通信的需求,而3G 移动网络虽然能满足智能家居系统远程通信的基本需求,但是由于本身的固有技术特性,数据网络的上行速度峰值只达384kbps,因此在实时视频数据传输上仍存在不足.4G 网络的出现和普及,使得移动网络的数据传输速率产生了质的飞跃,4G 网络集3G 与WLAN 于一体,能够快速传输数据和高清晰度的音频、视频以及图像,系统兼容性好,通信频谱更宽,传输上行速度最高可达到50Mbps、传输延迟小,而且传输成本更为便宜,为智能家居信息数据远程高速传输提供了良好的技术基础.
在智能家居系统中,4G 远程通信分为两个部分,分别是远程终端部分和室内部分,传输内容包括智能家居数据上行和用户指令数据下行.家居数据上行时,控制模块将采集到的数据、音频、视频等信息通过串行数据接口送入安全认证模块,安全认证模块是一个基于ARM9 微处理器的数据处理模块,上行数据在安全认证模块中,按照预先设定的数据格式进行封装,再通过串行数据接口传输至室内部分4G 数据收发模块.我们采用的是商用通用4G 模块,支持多种网络格式,可以实现4G 网络下,实时数据的双向透明传输（上行50Mbps,下行50Mbps）.每个4G 模块在4G网络中都拥有一个特定的IP 地址,室内部分4G 数据收发模块通过4G 网络,将数据信息无线发送至拥有对应IP 地址的4G 数据接收模块.数据发送成功后,4G 数据收发模块向安全认证模块反馈发送成功信息,安全认证模块生成对应的数据发送简报,传送至控制模块存储.远程终端通过配备的4G 数据收发模块接收上行数据,远程终端可以是用户的手持式设备,也可以是小区的物业管理工作站.远程终端可以对接收到的数据信息进行解包,读取对应信息.不同的远程终端根据系统设置拥有不同的权限,其所能解包的数据的范围也不同,这就在保证了智能家居的通用性的基础上,同时提高了系统的安全性.通过软件的交互界面,相应的信息就会以美观、简介的形式实时展现给用户.指令下行时,用户通过软件的交互界面发送出指令,根据用户权限的不同,用户可以发出的指令内容也不尽相同.远程终端将用户指令封装好,通过4G 数据收发模块传输出去.室内部分通过4G网络接收到数据后,安全认证模块对指令数据进行解包和权限判定,将权限内的有效指令数据通过串口传输至控制模块.
总结: 本文设计的智能家居系统平台方案,利用高速的4G 移动通信网络和功能强大的嵌入式微处理器,数据通信更为流畅,尤其是视频和音频更加清晰,系统功能更为完善智能,消耗低、易维护且可靠性好,有较广阔的应用前景.
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