移动物联网 之 智能家居

本系列文章结合时下正热的“物联网”概念，介绍实现“智能家居”的一套解决方案。

引言   

    随着科技的发展，手机已经不简单地是个通讯设备，而是人们生活的必需品。利用智能手机构建智能家居系统，将能很好地利用随身携带这一优势，完美地做到对居家环境 Anytime & Anywhere的监控和管理，让用户的家庭更安全，也让用户获得更多的便利。事实上，随着3G的普及，通信带宽的增大，用智能手机实现远程家居视频监控、安防报警等更多功能，已经在理论上和技术上提供了实现的条件。

    移动互联的出现，使得互联网延伸到了移动设备，那么，从这个意义上来说，移动设备也必然是物联网的组成部分之一。随着移动设备的发展，其接口也越来越丰富，有线的如USB，无线的如Wifi、Bluetooth、IrDA、RFID、ZigBee，虽然有些是需要中间件的支持，但是市场上早已存在集成RFID和条形码扫描器之类的移动设备。正是因为有了这么多的接入技术，使得移动设备在物联网中可以扮演重要的角色。

图1：移动设备的无线接口

系统结构 

    本文以Windows Mobile平台为例，讲述了一个智能家居的实现方案，系统结构如图2所示。

图2：系统结构

    系统结构如图2所示，在户外时，Pocket PC Phone利用GSM/3G网络，向家里的智能控制终端发送控制信息，智能控制终端通过Zigbee网络或者IrDA来控制家电。当家里的某一个设备运作不正常，或者传感器（如玻璃破碎传感器、特殊气体传感器）感受到异常信息，就及时地通过智能终端向户外的主人的Pocket PC Phone报告异常信息。当主人回到家时，也就是从户外的GSM/3G网络过渡到家里无线局域网时，Pocket PC Phone能够自动检测到这个信息，并利用UMA，将通话转到Wi-Fi或者Bluetooth上，走有线网络，以降低通话成本。

信号监测模块

•     火情监测：每个房间应该都需要温度探测装置。
•     煤气泄露监测：主要设置于煤气管道，阀门附近。探测空气中化学成分浓度。
•     电线短路监测：发生短路时，瞬时电压生高。监测装置内置于电流表等处。
•     烟尘监测：类似于煤气泄漏监测，探测空气成分浓度。
•     水情监控：水管的阀门、或水表，保持不间断运行，达到一定时间（例如，1小时），认为水龙头漏水。或设置水位探测器，探测水位是否超过安全线。空气湿度监控，当室内空气湿度超过阈值，可认为家中有漏水情况发生。

节点情况

• 客厅：电路安全情况监控。
     卧室：电路安全。
  厨房：电路安全；    火情监控；    水情监控；    煤气、烟尘监控。
• 卫生间：电路安全；水情监控。
• 阳台：玻璃门窗防盗监控。

相关技术细节

1.报警显示

    我们用图片的形式直观地显示具体的报警信息。利用一个家居图展现位置信息，在家居图位置下方显示具体的报警类型。当接收到危险信号时，节点对应的家居位置进行频闪，家居图下显示报警类型，直至报警解除。如卧室1报警时，交替显示如下的图片，达到闪烁效果：

图3： 卧室报警显示

2.工作模式设置

    工作模式分为两种：户外模式和家庭模式。当选择户外模式时，Pocket PC Phone在显示报警信息的同时会将收到的报警信息以手机短信的形式发送给用户，并接收用户的确认操作；当选择家庭模式时，Pocket PC Phone将直接拨打用户的手机号码，对用户进行提醒（无需发送短信，以节省通信费用）。在界面上点击CON按键，在滚动条的位置出现如下图所示的模式选择信息，可以选择“Indoor”或者“Outdoor”模式；再次点击该键，就恢复滚动条。

图4：工作模式选择

3.日志查询

    用户可以通过日志查询得到相关的报警信息历史记录和用户的操作记录，对家居设备的检修提供参考数据。在界面上点击HIS按键，在原来图片的位置出现如下图所示的历史信息；再次点击该键，就图片显示。

图5：日志查询

4.个性化操作设置

    个性化操作设置提供一张控制信息操作和用户回复代码的对照表，通过修改这张对照表来设置对报警信号的操作代码。如，可以将“切断电源”操作设置成“1”，这样在收到报警信号时，如果推荐的操作是“切断电源”，就会在后面附加“请回复1切断所有电源”。在界面上点击HIS按键，在原来图片的位置出现如下图所示的历史信息；再次点击该键，就图片显示。

图6：个性化设置

实现难点和瓶颈

1.家电接口标准

    从目前的情况来看，许多家电并未开发其数据采集接口，市场上也没有一个统一的接口标准，这就给实现带来了较大的难度。同时，从一定程度上来说，这也阻碍了智能家居的普及。

2.传感器选择

    各种传感器使用的技术不同，体积大小不一，价格也相差很大。如果要真正设计产品，需要好好斟酌。另外，传感器网络的数据量也是一个不可忽视的问题。

3.UMA

    UMA称为Unlicensed Mobile Access，前几年还出过支持UMA技术的手机。UMA网络由一个或多个接入点（AP）以及一个或多个UMA网络控制器（UNC）组成，它们之间通过一个宽带IP网络连接起来。UMA体系结构支持所有服务需求，如下图所示：

图7： UMA功能体系结构

UMAN体系结构的显著特点如下：

    新实体与功能增强实体

        移动台（MS）。

        接入点（AP）。接入点向移动台提供非授权移动接入。

        UMA网络控制器（UNC）。相对于核心网来说，UNC是做为GERAN的基站子系统。它包括一个安全网关（SGN）来接收安全的远端接入隧道，提供相互鉴权，加密以及信令、语音和数据的整合。一个宽带IP网络提供AP与UNC之间的连接。通过一个接入点，IP传输连接延长了UNC到MS的路径，UNC与MS之间定义的是单一的Up接口。

   与GSM/GPRS网络的共存、通过给标准GERAN定义的接口与GSM核心网（CN）互连。

        A接口处理电路交换服务[TS 48.008]。

        Gb接口处理分组交换服务[TS 48.018]。

        Lb接口支持定位服务。

        CBC-BSC接口支持3GPP TS 23.041定义的小区广播服务。

 

这个项目参加了2009年的微软精英挑战大赛，获得了三等奖。具体可以看这两篇Blog：

2009微软精英挑战赛决赛

梦想开启未来 对话克瑞格•蒙迪

本人已经将项目介绍做成视频，放到了youku上，有兴趣的朋友可以看看，链接如下：

http://v.youku.com/v_show/id_XMTQwNzUxNjU2.html