基于物联网的数字家庭论文

基于物联网的数字家庭论文（精选7篇）

基于物联网的数字家庭论文 篇1

物联网技术是新时期的一代高新科学技术, 其建立物物相联和物物智能管理的高等应用系统, 减少人力劳动资源的浪费, 为未来智能化科技的发展指明方向。而物联网技术的发展仍然在萌芽阶段, 其应用层次不穷, 标准仍然不够规范, 物与物相连的安全问题也需要考虑, 未来仍然需要对物联网技术的这些问题进行探讨与研究。本文主要对基于物联网的智能家庭应用系统结构进行设计, 以物联网的三层系统结构为基础, 从而设计智能家庭的应用系统。

1 物联网体系架构

本文结合现有物联网的分成架构, 裁剪物联网的层次的划分以便于更加适合智能家庭系统。通过对物联网三层架构的研究与分析, 并结合智能家庭系统的应用方向, 本文裁剪并重新规划了三层架构中的细节问题, 如图1物联网体系架构所示。

(1) 感知层通过数据采集获取数据信息, 即通过传感器、RFID和条形码等采集模块获取, 组网与信息处理主要完成节点组网、数据压缩、数据预处理和降低信息的冗余度等任务。

(2) 网络层承担感知层节点设备的信息网络传输和基础网络环境, 网络层中的业务网是业务实现能力和系统运营支撑的核心网络。

(3) 应用层主要针对行业背景、行业领域和行业特色, 设计物物相连的应用方案, 本文主要针对智能家庭系统结构。

2 智能家庭的应用系统

基于物联网的启发, 智能家庭可创造物联网控制平台, 其控制平台可实现常用电器远程控制、室内远程监控和远程医疗等服务最终建设有线接入的安防、医疗、娱乐、教育和购物等的综合服务系统。智能家庭将物与物相连的家庭, 内部安装物联家电, 可随时无线控制, 也可通过网络远程控制, 外部连接有高速数据通信线路。家庭人员可通过电脑控制室内设备, 也可通过手持终端控制, 当出现异常现象时, 可智能向用户和物业报警, 用户也可通过手持终端远程控制室内设备。

本文基于物联网的智能家庭系统主要分为三大子系统, 即家庭物联医疗子系统、家庭物联视频监控子系统和智能电器控制子系统。基于物联网的智能家庭系统结构如图2所示。

(1) 家庭物联医疗子系统。社会的发展以及计划生育的实践, 造成很多孤寡老人一人在家, 而孤寡老人的健康问题将成为一大问题。中国的老龄化加快, 也必然对医疗提出更多要求, 即家庭物联医疗子系统。家庭物联医疗子系统可对孤寡老人或者不方便去医院的人员进行每天监测和实时监测, 免除病人就医难的问题。

(2) 家庭物联视频监控子系统。家庭物联视频监控子系统主要完成对家庭室内的实时监控, 当遭遇盗窃异常现象时, 家庭物联视频监控子系统则将相关视频信息发送给用户或物业管理部门, 其有效的制止盗窃事件的发生, 同时家庭物联视频监控子系统要确保视频内容的安全和用户个人的隐私问题。

(3) 智能电器控制子系统。智能电器控制子系统则完成家用电器的远程控制, 可通过手持终端对家用电器远程控制, 并能够实时查看家用电器使用状况。

3 结语

本文裁剪物联网的三层架构细节内容, 并设计基于物联网的智能家庭系统结构, 逐步深入研究设计家庭物联医疗子系统、家庭物联视频监控子系统和智能电器控制子系统。

参考文献

[1]张明杰, 韩建亭, 胡冰松, 刘文超, 用家庭网关打造物联网家庭应用系统[J].电信科学, 2010.

[2]王保云.物联网技术研究综述[J].2009, (25) 12:1-7.

[3]彭巍, 物联网业务体系架构演进研究[J], 移动通信, 2010.

[4]吕建东, 马睿翔, 我国物联网产业发展的机遇和挑战[J].西安邮电学院学报, 2010, 15 (6) :81-82.

基于物联网的数字家庭论文 篇2

关键词：物联网技术,智能家庭系统,应用分析

0 引言

物联网是继互联网之后的新一代的信息技术,而且物联网技术的产生主要是以实现节能、绿色以及减排等作为主要目的,给社会的发展带了积极的营销。物联网技术主要是家庭方面的智能应用作为其主要的突破口,因此就需要从而不同的技术应用方向来对家庭物联网技术的有效应用加以研究。近年来,物联网技术的发展异常迅速,真正渗透到我国多个行业方面的领域,并在这些领域到了获得了较为广泛的应用。

1 物联网概述

物联网是以互联网为基础所延伸和拓展发展的网络,物联网能够有效的将网络终端从普通的PC直接延伸和拓展到多种物品之间,以此来进行相应的通讯及信息交换。而且也可以通过射频识别、红外感应器以及全球定位系统,等多种信息传感设备,以此来按照相应的通信协议来讲所有所需通信的个体和互联网实现有效的连接,同时也能够进行数据和通信信息之间的交换行为,以此来保证各种网络中断设施能够进行智能化的定位、识别以及跟踪,还有实时监控和动态的管理等多种功能的一种网络。以物物相联的形式来实现和互联网之间的而有效整合,同时也实现了人类社会和物理系统之间的有效整合。在对网络进行整合的过程当中,通常都需要能力超强的处理器或者是中心计算机群来对网络范围当中的机器、人员、设备以及基础性设施实施有效的控制和管理。因此,物联网就是由多个有着更加透彻感知能力的传感设备所形成,这其中的互联网能够在任何的时间和地点来连接任何人的存在,从而促使传感器能够阻止一套网络的体系,然后再通过这种智能化的信息处理和数据的计算来促使数据信息能够真正实现相互传输,从而实现资源共享的目的,最终形成物物相联的综合性智能网络。

2 物联网技术的智能家庭具体应用

2.1 应用智能家庭节电类产品

我国电力的发展异常迅速,为了满足人们对于电力正常、有效输送的需求,电力行业制定了一套智能家庭计划的试行活动,通过国家电网开始在相应的城区范围内开始实行,一些居住着只需要通过一些比较小的终端机来实现家庭用电的节省,这样就能够对电费的支出,真正有效的实现节约的目的。而且国家电网公司在试点的家庭当中安装一个具有双向互动性功能的终端机,同时在这个前提和基础上铺设了具有传输信息的光缆和电缆,这样就能够真正保证这类家庭能够真实有效的感受到节约用电的良好性效果。

2.2 应用数模通智能型产品

如今物联网技术的发展促使很多地区都开始真正的实现智能化应用的转换。在这种情况背景之下,有很多具有一定规模的发展小区都会相应的组织一些有着不同档次的楼盘来进行组团,这样就能够充分有效的满足各种不同的类型以及层次内的消费群众,并以此来满足这些消费群众们的需要,而在这些各种不同类型的楼盘当中,通常对于智能化的需求方面有着明显的差距,因此其不但需要构建相应的模拟系统,同时也需要一定的数字系统来加以配合。不过在市场当中那些真正能够兼容模拟系统以及数字系统的混合组网解决方案缺乏得比较严重。因此这种发展情况当中,都可以使用相应的模数混合组网络的大规模的智能化社区来制定相应的解决方案来进行,以此来生产出现代化小区所能够事业的数模通智能型产品。这套方案的具体实施和操作就需要根据TCP/IP的协议来进行,从而能够真正的保证上面所显示的数据及图像等信息变得更加的生动、有效和逼真,因此就具有更加完善的功能。如今的数模通智能型产品已经真正的具有了非常强大的适应环境的能力,因此就可以在一些比较极端和特殊的的环境当中正常的运行,给小区内的住户们带来了极大的便利。

2.3 智能通家居产品 U-home 类型的应用

在当今物联网技术的发展背景之下,的帮助客户们获得更多、更加具体的网络操作智能化运行的有效解决的方案,从而将家庭内部的的网络随意的连接在本地社区内的网络当中,并在这个基础上再和外界方面的的大网进行网络连接连接。因此,通过这种智能型的家居的产品就能够真正有效的促使楼宇之间保持通话和对讲、视频的监控等功能。而且居民方面也可以对家庭内部的还有各种不同类型的家居或者电器来进行远程的智能化操作和控制,并以此来真正的实现家庭能源消耗方面的的管理工作。另外,也可以对居民们家庭当中的各种现代化的电器以及相关设备来真正的组合成家庭方面的信息管理工作的中心,促使居民们真正的体会到互联网技术所带来的融合形势,从而保证智能型家居系统能够极大的带来更加快捷和方便的体验。

2.4 智慧屋产品的应用

这就需要借助当代具有一定规模的小区当中所使用的智慧屋类型的产品,居民们能够有效的通过智能手机以及计算机、互联网技术等多种方式的运用,来进行远程的控制和操作管理的工作。而且居民在家庭生活当中也能够更加方便和快捷使用各种智能型的遥控设备或者是相应的移动设备的终端等来迅速的控制和管理好各种类型的家庭内部的电器设备,而且还能够迅速的在外出、就餐、会客等多种模式的切换操作,形成一系列的独具个性的场景模式 [3]。因此智慧屋产品使用的主要优势还是在于其所具有的安全性,以及无线通信和安装起来非常的便捷。而且,安装智慧屋这种智能型的产品也并不会损耗更多的时间和精力,这样就能保证居民们能够真实的体验到物联网基础上智能化的的生活体验。

3 结语

基于物联网的数字家庭论文 篇3

随着我国经济和技术的飞速发展,各类住宅建筑规模也在不断发展,建筑的规模、层次、标准也越来越高。因此,住宅的火灾智能监控、自动报警、自动灭火系统和消防自动化网络管理系统,已成为不可或缺的重要组成部分。

物联网具有三大特性,应用于火灾自动报警系统,能够实现:

(1)全面感知。无线传感网络中的节点内置的不同传感器(如:压力传感器、温度传感器、湿度传感器、声音传感器等)对当前状态进行识别,实时对本地火灾数据检测、收集,并把非电量转变成电信号的火灾报警信息,向外传递。

(2)可靠传递。通过蓝牙、GPRS、3G 等通信技术,可以快速传输数据、图像、声音、视频等多种形式的信息,为火灾自动报警系统提供多信息支持。通过集成不同模式的无线通信协议,信息可以从无线局域网、 蓝牙、蜂窝信号、广播电视、卫星通信等标准之间相互漫游,从而达到更大地域范围的网络连接。

(3)智能作用。云技术的发展与物联网规模化相得益彰。当火灾自动报警系统网络规模化后,数据量会很大,通过运用云计算技术,可以在数秒之内,达成处理数以千万计甚至亿计的信息,从而实现智能化的控制和管理。

基于云服务的家庭物联网智能消防安全信息系统,就是将物联网和云计算等新技术引进并应用于家庭当中,设计出一套配置灵活、接入平台多样、互联互通的智能管理和服务系统。随着“智能家居”、“智能建筑”、“智能互联”、“智能消防”逐步成为日常生活及经济发展中的重要组成部分,智能消防监控终端控制技术与互联网通信技术结合产生的家庭智能物联网将极大地改变人们的生活方式,同时也能通过对家庭能耗单元进行合理控制,积极响应国家的新能源战略,物联网与智能家居的结合一定会具有巨大的经济效益和战略意义。

1 住宅消防技术要求

随着生活水平的不断提高,人们对安全的需求日趋增加,对住宅消防现代化提出了更高的要求。传统的火灾报警器存在安装、检修不便,不能支持基于互联网的统一管理与监控等缺陷,尽快改变传统、落后的报警、接警和处警方式,因此提出“智能消防”,采用现代高新技术实现消防监控、自动报警、灾后侦查等已成为当前城市消防现代化的目标。

1.1 消防监控

智能消防监控是将GPS(全球卫星定位系统)、GIS(地理信息系统)、3G(无线移动通信系统)和计算机、网络等现代高新技术集于一体的智能消防无线报警网络服务系统。消防指挥中心与用户联网,实现了报警自动化、管理网络化、服务专业化、科技现代化,减少了中间环节,提高了处警速度,使人民生命、财产安全以及警员生命安全得到最大限度的保护。

1.2 消防自动报警

智能建筑中的火灾探测与消防联动控制系统对建筑的安全起着非常重要的作用。智能建筑中的建筑设备自动化系统包括消防联动报警系统、安全防盗报警系统和门禁与对讲系统等。火灾的检测主要由火灾探测器检测,分为感烟探测器、感温探测器和感光探测器。

1.2.1 消防自动报警的基本组成与性能特点

依据GB50116规定[1,2],火灾监控与消防联动一般由火灾探测器、输入模块、输出模块、输入输出模块、隔离器、各类火灾报警控制器和消防联动控制设备等共同构成。消防自动报警是依据火灾探测器、消防联动设备与主报警控制器之间连接方式、数据处理方式及网络通信方式等,有多线制控制、总线制控制、分布式控制、网络通信控制等基本结构形式。

1.2.2 物联网在火灾自动报警系统中的应用模式

(1)火情探测与信息传输[3,4,5]

以物联网技术为基础的火灾自动报警系统,外围传感探测设备是其获取信息的主要来源。传输介质一般是在红外(IR)或射频(RF)波段上,有大量协议标准可以选择。当发生火灾时,被监控环境状态发生变化,各种传感器能够立即检测到的相应信号转变为电信号,发出报警信息。经过对提供的数据资源加以综合,采用计算机技术对其进行分析,消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾,降低其不确实性,使系统获得更充分的信息。

(2)火灾信息处理与系统联动[6,7]

当探测设备发出火灾信息传输到中央控制器时,通过摄像头等多媒体设备将现场图像、音频同步信息同步传输,再经计算对火警信息进行判别确认,识别真假火灾,直接向监管中心或消防控制中心提供详细准确的报警部位、报警类型、系统运行状态、故障信息、工作记录等信息。采用了一些容错方法确保不漏掉告警从而提高系统的可靠性。火灾自动报警系统的不正确报警既可能是探测器受周围环境的影响产生误报、漏报,也可能是因为电磁干扰对信号传输的影响,以及报警控制器电压稳定性不好引起的误报或是漏报。

消防控制中心是整个消防报警及联动控制系统的中枢,由配套的系统程序和数据库支持,可同时对多个探测设备发来的火灾报警信息存储、处理,并能检索报警点的自然概况信息,实现声光报警并与消防通信指挥中心进行数据通信,自动寻呼报警单位相关人员,确认报警信息。

1.3 家庭火灾原因及灾后侦查

电气设备接地故障是相线与电气装置的外露导电部分、外部导电部分以及大地之间的短路。这种故障与相线和中性线间的单相短路故障、相线之间产生的相间短路相经,产生的火灾具有更大的危险性和复杂性,其防范工作也十分复杂。通常引起火灾的原因包括:(1)接地故障电流引起火灾;(2)接线端子连接不紧密引起火灾;(3)接地故障电压引起火灾。

在住宅智能消防监控中,家庭网关作为家庭火灾监控的黑盒子,与感烟器、感温器、易燃易爆有害气体探测器等消防设施相连,一旦接收到传感器信号,接收机发出声光报警,家庭火灾监控的黑盒子实时记录、存储住宅各个火灾传感器采集火灾发生前后的数据信息,供灾后对火灾情况进行侦查、分析,作为火灾原因调查证据[8,9,10]。

2 住宅防火与智能家居同步发展的趋势

2.1 智能家居概述

智能家居系统利用计算机、网络通信、自动控制和系统集成等技术,将与家居生活有关的各种家庭安防报警设备、家用电器和通信设备连接到一个家庭智能化系统上,即数字家庭网络系统,实现各种家用电器设备的互联、设备之间的信息交换,通过家庭信息管理平台进行集中和远程监测、控制以及家庭事物管理。目前,智能家居控制系统的基本功能是家庭安防、家电控制、远程抄表、信息服务和可视对讲等。

2.2 原有消防网络的分析

我国的住宅火灾报警,即在卧室、客厅安装感烟探测器,是构成家居安防的一道重要防线。在智能家居迅速发展中,住宅火灾报警似乎处于家居安防之外。在数字家居网络覆盖的家庭中,火灾探测和报警正在形成一个漏洞,导致原有消防网络独立。因为火灾探测器是消防产品,必须要经过国家权威部门的检测及3C认证;必须专业施工安装;火灾探测器的报警线路未与智能家居综合布线共用。从法规层面,《建筑设计防火规范》和《高层民用建筑设计防火规范》等国家规范都没有住宅安装火灾探测器的规定,有待完善。所以,住宅火灾探测未形成与智能家居安防系统同步发展的趋势。

2.3 智能家居联网式的火灾探测报警

智能家居安防系统使用标准的传感器信号接口,可以连接感烟探测器、煤气泄漏检测器和防盗产品(人体移动探测器、门磁开关、声光报警装置等),纳入安防系统进行管理[11,12]。系统在接收到触发信号后,作出相应的操作,报警信息能引发灯光闪烁、电话远程告警、声音响起等动作,并实现住户与外界的沟通和联系,自动向业主和物业管理部门报警。与智能家居联网的住宅火灾探测报警和厨房可燃气体报警应构成智能家居安防的基本配置。

3 技术方案与架构

3.1 设备云

基于云服务的家庭物联网智能消防安全信息系统,能够使得家电类、信息电子类产品实现与互联网技术结合的通信和管理能力,设备之间的相互通信、控制逻辑构建,能够有效的对设备运转进行能效管理、状态检测,降低家庭单位能耗,同时设定高效的智能化工作模式。以基于智能物联网关的泛在设备互联网络架构,大致可分为四层,如图1所示。

3.1.1 泛在设备

泛在设备层包括各种计算机、传感器、执行器、控制器等组成的大量设备,是信息空间感知和控制物理空间的媒介。

3.1.2 局域感知网络

局域感知网络层的核心设备是智能网关,可以对不同网络协议进行解析和融合,实现泛在设备的无缝接入。该层异构的泛在设备通过语义抽象和服务封装变成实体无关的设备本体,其信息空间接口变成格式统一的服务和数据,以便于上层服务和应用的调用和操作。除智能网关外,还有其他的感知设备,可以部分的替代智能网关功能,并与上层网络相连接。

3.1.3 广域网络

广域网络构建在Internet之上。智能网关将抽象设备本体及接口提供给广域网络中的统一设备管理平台(成为设备云)。设备云可以通过规定的协议实现对网关本身的管理,包括注册登录管理、权限管理、任务管理、数据管理、故障管理、状态监测等。此外,还可以通过网关实现对局域感知网络子网内各种泛在设备的管理,进而实现全网络的可管理性。

3.1.4 应用层

在设备云上可以根据业务需求,构建多种应用或应用支撑件,如设备搜索、事件检测等。

3.2 智能家庭网关

智能家庭网关是数字家庭的核心和家庭网络的控制中心,完成家庭内部网络不同通信协议之间的转换和信息共享以及同外部通信网络之间的数据交换,负责家庭内部信息终端和智能设备的管理与控制,是通信网络的接入节点。基于云服务的家庭物联网智能消防安全信息系统的核心部分是家庭网关,是家庭各种系统和设备的中心和连接点。针对住宅消防安全的综合性和复杂性,所有的系统和设备不论其系统的属性、连接方式和制造厂家的不同都通过这个家庭网关进行连接。能实时记录、存储住宅各个火灾传感器采集火灾发生前后的数据信息,类似于飞机上的“黑匣子”,为灾后侦查和火情重现提供关键数据。

3.3 容错技术

该系统通过运用新材料、容错技术来提高住宅火灾自动报警系统的性能和可靠性。实际应用火灾报警系统的环境可能会同时存在多种因素。在型号的选择上要充分考虑各种因素影响,对于环境条件复杂的要多种探测器综合使用,探测信号进行比较分析后再输出,从而减少不正确报警。

火灾信息采集和处理方面由于目前的火灾探测报警系统通信协议有缺点,并且有的设备得不到通信协议文本,需要进行协议破译,火灾探测报警系统是按国家标准,一般都有总告警控制输出接点,同时采用协议分析和直接采集的方式。即使协议分析时数据通信不成功,也能通过直接采集总告警输出,知道该单位处有告警信息(只是不知道具体那个探测器),因此,能确保不漏掉告警。一些设备信息不全,使部分探测器编号在数据库中没有。按照以往的监控系统的设计,对于未知的告警点所上报的数据一般作为垃圾数据舍弃,但由于本系统的特殊性,其涉及到防火灭火。我们在系统设计上也充分考虑了这一实际情况,当该系统收到这些探测器的告警时,系统会将该探测器编号自动添加到数据库中,并在操作界面上提示是未知部件,操作人员与用户单位核对后,将该探测器信息补全。

3.4 面向城市消防的云服务模式

面向城市消防的云服务模式包括:云端运营服务管理系统、网关管理系统、监控数据采集和控制模块三部分。

云端运营管理系统主要负责整个家庭智能系统的应用运营与资源管理并且在此基础上由智能家居服务提供商提供服务,这是一个n-tier的系统架构,通过设备信息数据库、用户数据库和运营数据库提供针对于每一个家庭的信息存储、查询、配置和组态、实时调节控制以及参数设置的管理和数据分析等功能。

网关管理系统主要有核心控制网关和管理软件构成,核心控制网关通过无线传输模块,按需求设定进行住宅各火灾传感器的数据采集,按期上传到云端,并根据云端运营服务体系的数据分析结果,对智能家居管理体系进行能效调整和模式优化。

数据采集和控制模块主要指各种传感设备、控制设备、业务受理单元,根据网络传输获得的住宅中各火灾传感器采集的数据,进行相应的功能操作及信息回馈。控制及管理模块在使用过程中,将通过内部调试机制定期记录设备使用状态信息,并以特定格式存储,再按照网关系统的要求机制,将相关信息回传到网关聚合管理系统。

4 结束语

住宅智能化是家居环境的革新,是未来居住模式发展的必然趋势。家居安全防范是公众对智能家居最基本的需求之一,是智能家居发展的重要推动力,住宅火灾自动报警应与智能家居同步发展。消防法规对住宅火灾报警应起到倡导和推进的作用,住宅火灾探测报警应构筑起家庭安防的一道重要防线。

基于云服务的家庭物联网智能消防安全信息系统是一个比较复杂的控制系统,住宅智能化的火灾监控与消防自动报警涉及的问题很多。每个住宅智能化建筑根据其范围的大小、功能的不同、建筑结构和风格的差异、建设地点的不同及特殊要求等因素需要进行具体设计。设计智能消防监控与消防自动报警系统的意义在于降低火灾损失,减少人员伤亡,该系统是住宅智能化建筑中非常重要的控制系统,在进行系统设计时必须考虑周全,满足国家相关法规要求,使住宅智能化建筑成为一个安全的、美好的生活家园。

摘要：为提高当前住宅的消防安全水平,防止重特大火灾发生。在智能家居发展的基础上,研发一个基于云服务的家庭物联网住宅火灾自动报警信息系统,与智能家居统一组网,实时接收并快速处理系统终端采集的数据,实现智能家居联网的火灾探测自动报警、消防监控及灾后侦查。该系统综合采用了通信、地理信息和分布式处理等技术,并在信息采集和处理的过程中提出了一些新的容错技术来提高系统的可靠性。若检测异常,系统将家庭内部的报警信息传输到物业管理部门,并自动向出门在外的主人报警。

关键词：智能家居,云服务,物联网,消防监控

参考文献

[1]GB50116-2008.火灾自动报警系统设计规范,2008

[2]GB50016-2010.建筑设计防火规范,2010

[3]武巍,胡双启.电气火灾残留物的SEM分析方法研究[J].中国安全生产科学技术,2010,6(4):15-19 WU Wei,HU Shuang-qi.Analysis method of SEM on res-idues of electrical fire[J].Journal of Safety Science and Technology,2010,6(4):15-19

[4]刘增青.高层住宅消防车通道设置问题探讨[J].中国安全生产科学技术,2012,8(4):180-184 LIU Zeng-qing.Probe into fire engine road for high rise residence during new period[J].Journal of safety science and technology,2012,8(4):180-184

[5]Zhang Man-ke,Wang Jin-bai.Fire alarm and linkage sys-tem based on Net Linx network design[J].Fire Science and Technology,2011,30(6):528-530

[6]Chao Hai-ou,Wu Dan.he synchronous development trends of residential fire alarm and intelligent home[J].Fire Science and Technology,2011,30(12):1160-1162

[7]Zhang Yong,Yang Bang-rong,Jiang Jue-xian.Automatic fire alarm system based on GSM/GIS.Computer Engi-neering,2006,32(2):243-247

[8]Yang Rong.Automatic fire alarm system design and im-plementation.Safety&Security Technology

[9]Zhang Xiang.Automatic fire alarm system research based on Internet of Things technology[J].Journal of Institute of Disaster-Prevention Science and Technology,2011,3,13(1):51-54

[10]Chen Nan.The city automatic fire alarm information net-work monitoring system and function analysis.Fire Tech-nique and Products Information,2002(6):16-19

[11]Chen Wei-nan,Hu Wen-gang,Peng Cheng-lian.City fire automatic alarm information system design and imple-mentation.Journal of Computer-Aided Design&Comput-er Graphics,2005,17(8):1867-1872

基于物联网技术的数字化油田 篇4

物联网可定义为利用射频识别、GIS技术、感应装置、扫描仪等传感器设备, 遵循统一的通讯协议, 将任意的物品通过互联网连接起来, 信息可在物联网中实现传递和交换等操作, 通过处理中心的统一管理实现智能化数据采集、传输、存储、处理、识别、定位、分析的网络系统。物联网的概念是在1999年提出的, 物联网就是“物物相连的互联网”。

物联网可分为三个层次, 即:感知层、网络层、应用层。第一层感知层由各种传感器和传感器网管构成, 负责数据的采集和感知, 主要用于物理世界中发生的事件和数据;第二层是网络层, 负责传递和处理感知层获取到的信息, 用来数据的传送和运算。网络层用于实现连接功能, 能把从感知层获得的信息无障碍、高效率的进行传输。第三层是应用层, 在两层数据采集和传输的基础上, 对数据进行处理分析, 从而为各种终端提供相应的应用服务。是物联网和用户的接口, 与行业需求结合, 实现物联网的智能应用。

在物联网体系架构中, 三层的关系可以这样表示:感知层可表示为人眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢。网络层相当于人体的中央处理器—大脑;应用层相当于人的具体行动。物联网技术框架图见图1。

二、数字化油田

所谓的数字化油田指的是通过一定的模型和方法将实体的油田进行抽象化, 得到的存在于计算机中的模拟油田。数字化油田实现了对实体油田的综合管理, 它包含了油田的各种人文以及自然的数据信息, 管理员可对数字化油田进行查询、浏览和交互等操作。油田中的各种生产信息与其所处的地理位置具有较强的联系性, 通过对油田相关信息的快速获取和分析, 油田可实现快速应答和反映机制, 提高企业的管理能力。通过数字化油田的管理, 可提高企业内部各部门之间的油田信息通讯、管理和整合能力。数字化油田的目标在于建立一个完整的油田信息采集、处理、应用体系, 同时在实现数据信息共享后, 应当面向石油探测、开发、采油设备建立、石油运输等企业综合管理的各个环节, 建立一个综合的油田数据管理系统。数字化油田管理系统应当与其它专业的系统进行一定和借鉴和融合, 利用虚拟现实的技术实现对油田信息的可视化显示, 使油田的管理更加直观和便利, 通过优化的智能分析方法, 数字化油田管理系统可为油田企业的综合管理提供强大的信息支撑。

数字化油田的建立是基于信息通信技术的。数字化油田体系中, 数据信息的传递通信是相当重要的一个环节。数字化油田融合了计算机技术、数据库技术、通信技术等多个领域的专业技术, 实现了油田企业管理的网络化、数字化、可视化以及智能化。数字化油田涉及到许多学科和领域的知识, 它由许多的具有不同作用的油田管理系统构成。

三、基于物联网技术的数字化油田生产管理平台

3.1 系统构建思想。

基于物联网技术的数字化油田生产管理平台是为了对油田勘探、生产管理进行信息化管理。以物联网技术为框架支撑的管理体系, 可满足油田的常规生产和经营、设备监控、成果可视化, 具有油田生产数据信息自动采集、通信、储存以及分析处理等功能。该体系可实现油田的跨地区管理, 可将油田勘探、开发、生产以及销售中的各个环节有机结合起来, 还可实现油田生产数据的综合智能化、可视化管理, 对生产过程进行动态实时监控。

数字化油田生产管理平台建立时, 在框架上遵照物联网的三层技术结构。在数字化油田管理平台的感知层中, 通过安置在油田阀组间、联合站、油井、输送管线等地方的传感器和监控器, 实时动态采集生产信息数据, 并将数据统一管理起来;在数字化油田管理平台的网络层中, 生产数据信息通过有线 (电缆、光纤等) 或无线 (GPRS/CDMA) 的方式发送至综合管理服务器中, 然后进行数据的分析处理等操作;在数字化油田管理平台的应用层中, 需要使用数据库技术, 计算机智能计算技术对自动采集到的油田生产数据信息进行加工、处理, 必要时可以表格、图片等信息输出监测成果, 从而实现对油田生产设备的动态远程监控, 为油田生产决策提供数据支撑。

系统主要包含三个子系统, 分别为:油田信息自动采集子系统、数据传输通信子系统、油田生产管理子系统。其模型框架见图2。

3.2 油田信息数据自动采集子系统。

该子系统主要负责油田生产信息数据的自动化采集, 对应于物联网的感知层, 该模块中的监测仪、传感器等数据采集装备安装在油田的各个地方, 主要包括:油田注配间、中转站、油井、站库等主要的生产站点。数据采集设备实时动态采集油田的生产信息数据, 然后将数据汇集到DTU、RTU等控制器中, 进行数据的统一解析、上传、处理、为平台的应用系统提供可靠、稳定的数据来源。

注水井数据自动采集:在油田的水井中应当安装流量和压力传感器, 从而实现对水井中的汽油压力、注入流量等数据的自动采集。除此之外, 还应当在水井中安置远程控制的自动注入装置, 对注水井中水量进行远程调节和控制。配注间数据自动采集:配注间内的管线上应当安装流量传感器和水压传感器, 采集总的水压以及流量数据。

3.3 数据传输通信子系统。

数据传输主要分为有线传输和无线传输两种方式。有线传输指的是利用电缆、光纤实现数据的通信, 其特点是传输稳定可靠, 但是投入成本较高;无线通信指的是利用GPRS/CDMA或专用网络等方式进行数据传输, 其特点是传输方式灵活, 但传输信号易受到外界干扰。在数字化油田系统中, 应当结合两种通信方式的特点, 在不同的位置选择合适的数据传输方式。在电缆、光纤容易铺设的作业区域, 则采用有线通讯方式, 以保证数据信息的稳定可靠传输;在单井位置, 则可以采用McWill无线宽带或GPRS/CDMA网络完成数据传输。

3.4 油田生产管理子系统。

该子系统中我们采用B/S的构架体系, B/S体系安全性能较高。而油田数据的综合管理是采用的Oracle数据库。生产信息管理系统应当实现模块化, 需要建立的主要模块包括:站库运行管理模块、油水井运行管理模块、设备维修模块、管线运营管理模块、GIS自动监控模块等。通过软件平台的开发, 实现油田生产信息自动计算、分析处理, 作业区域实时监控, 油田生产设备远程控制, 错误预警机制, 报表自动生成等功能。

四、结束语

将物联网技术应用数字化油田中, 可实现自动数据采集功能, 智能化数据处理分析功能, 监测设备远程无线控制能, 远程监控功能以及智能化决策功能等, 适应了油田现代化、信息化管理的要求。基于物联网技术的数字化油田生产管理平台是一个集成系统。该系统包含:油田信息数据自动采集子系统、数据传输通信子系统、油田生产管理子系统, 实现了油田信息数据的自动采集、传输、处理、储存、输出以及可视化。

摘要：本文对物联网技术及其框架结构做了简要介绍, 并对构建基于物联网技术的数字化油田管理平台进行了研究, 介绍了该系统的原理及框架体系。

关键词：物联网,数字化油田,框架结构,信息化管理

参考文献

[1]韩卫国.物联网背景下的数字化油田站控系统[J].工厂自动化, 2012.

基于物联网的数字家庭论文 篇5

1.1 目前青海油田“数字化”油田的主体结构

目前青海油田数字化油田建设主要是通过四层架构:物理层、控制层、网络层、应用层。物理层是使用一些常规仪表, 通过电缆以及数据线来对这些仪表进行数据采集;控制层是由各级控制站, 利用DCS、PLC、RTU等控制系统, 通过电蜘蛛、组态王、力控等组态软件来实现实时的监控;网络层主要是通过光纤、双绞线、路由器、交换机等设备来实现网络传输;应用层是将采集回来的数据利用软件通过WEB发布的形式来实现的。

1.2 青海油田“数字化油田”现状的优、缺点

优点:

(1) 采用各站区分布式管理, 每个操作站负责各自的生产运行操作功能, 相互独立、互不影响。

(2) 数据传输稳定, 不易受外界干扰。

缺点:

(1) 不利于集中管理, 各自为站, 无法做到数据的有效整合。

(2) 电缆线路多, 不易做到站区规范整洁。

(3) 信息化, 自动化程度较低, 不便于统筹管理。

2 物联网技术在青海油田“数字化油田”建设中的应用

物联网需要对物体可感知、可识别、可控制。根据这一目标设计出的油田物联网必须具备以下三个层次, 第一层即感知层, 引入智能仪表, 全面感知, 利用FRID、二维码等技术随时随地获取和监控物体的信息;第二层即网络层, 要实现远端识别, 必须进行可靠传输, 需要通过各种网络和互联网的融合, 将物体的信心实时准确的发送出去;第三层即应用层, 可控制必须能对物体进行分析和处理等能力, 这就需要智能识别、计算机对数据和信息的实时分析和处理等技术。这与传统的油田自动化有本质的区别, 精简了控制层 (即小型自动化控制站) , 以以太网为枢纽, 服务器和管理软件为核心, 所有的接口都是统一的以太网口。

如图2所示, 生产现场仪表连接至无线网桥, 通过感应节点进行仪表识别与数据分离, 初步处理后的数据直接上传至前线中控室主服务器进行运算处理, 再经过二级路由, 传至基地中控室。此种网络模式省去了各级控制站, 做到仪表与服务器直连模式。

2.1 感知层

2.1.1 感知层的定义

感知层是物联网的基础, 通俗的讲就是智能仪表层, 利用传感器采集设备信息, 利用射频识别技术在一定距离内实现发射和识别, 感知层应有感应节点和接入网关组成。

智能仪表的定义:

(1) 无线网卡, 支持TCP/IP通信协议。

(2) CPU, 简单的独立运算能力。

(3) RAM, 具备一定的存储转发能力。

(4) 操作系统和专门的应用程序。

(5) RIRD, 射频识别模块。

(6) IP地址, IPV6, 提供海量IP地址。

与传统仪表的比较:智能仪表具有独立的运算和数据的存储转发能力, 能够通过远端控制, 接受命令, 做出相应的响应。仪表与仪表之间能够实现相互智能对话, 通过自身所带的操作系统和程序实现自动控制, 而不需要复杂的人为控制, 自动化程度高。

2.1.2 感知层的工作方式

感知层是由智能仪表、FRID应答器 (射频卡或标签) 、阅读器 (读写器或基站) 组成。

感知层有感应节点和接入网关组成。智能仪表通过无线的方式接入网关, 利用射频识别技术在一定距离内实现发射和识别, 在感应节点处有识别器对仪表进行检索识别, 网关把收集到的信息通过网络层进行进一步处理。

2.1.3 感知层面临的问题

由于青海油田目前所用仪表多为非智能型仪表, 存在品牌混杂, 电缆多, 功耗大等问题, 与搭建物联网平台的核心意义相悖, 为搭建物联网平台, 必须从根本上解决这些问题:

(1) 采用智能仪表, 取消底层控制站。

(2) 仪表采用统一接口, 减少仪表品牌。

(3) 采用电池供电, 实施全区无线通讯。

随着智能仪表的启用, 将给自动化建设赋予一种全新的模式, 做到仪表品牌统一、接口统一、这将大大减少日常维护, 但要达到上述要求还存在经费和技术上的难度, 我们的核心思想是:以物联网为模式逐步配套建设, 减少常规仪表的采购, 加大智能仪表的投入和建设, 做到各仪表间干净整洁、规范。

2.2 网络层

2.2.1 网络层的定义

网络层是对传感器采集的信息进行安全无误的传输。把物联网比作一个人的话, 网络层可以说是整个物联网的“腰”。网络层是物联网中物物相连的重要组成部分, 不仅需要识别数据信息, 更能智能化的分析处理多功能平台。

2.2.2 网络层的接入模式

网络层的接入模式分为五种。其中光缆带宽最高, 信号最稳定, 寿命最长, 应在采油区统一规划光缆网络。光缆最怕机械破坏, 最好的建设方法是与输配电线路同杆铺设, 几乎免维护, 同时与无线网桥配合使用, 可以覆盖整个油区, 是最理想的数字化油田网络层模式。目前青海油田主干网络皆采用光缆作为通信介质, 现有设备满足以后物联网的应用需求, 只需发展周边网桥建设, 实现以光缆为骨干, 无线网桥辅助周边的建设思想。

2.3 应用层

2.3.1 应用层的定义

应用层是为操作者和管理者提供丰富的服务功能。决策者可在应用层上得到自己需要的各种信息, 如查询信息, 监控信息、控制信息等。这就要求强大的计算机群, “云计算机的支持”通过“云”处理平台, 有着强大运算、存储功能, 是传统的DCS、PLC、RTU控制系统所无法匹及的。随着物联网技术的逐渐深入, 相应的物联网设备即将问世, 将给油田自动化建设注入强大动力。

2.3.2 目前青海油田应用层的突出矛盾和解决办法

青海油田多年来为油田自动化建设投入很大精力, 无纸化办公, 施工图求产等已初见成效, 但总体来说, 没有一个完善的应用系统。各大软件供应商为了自己利益, 各自为战, 互不兼容, 技术保密, 采用不同的接口软件, 不利于平台整合, 制约了系统地分析处理问题。对于决策层也没有一套系统能够将油田的复杂性整体直观地展示给管理者, 不能让管理者及时掌握情况, 客观分析问题和正确决策, 这些都是制约油田发展的重要因素。

解决办法:

(1) 物联网应用逐步覆盖, 保留现有部分自动化办公软件。

(2) 改变从操作工-EXCEL-资料员-系统的传统模式, 利用物联网互动平台, 实现全程数据自动录入。

(3) 使用规范软件, 统一平台, 各大软件开发公司为物联网统一接口, 公开代码, 做到软件与软件之间的互联, 做到信息有效整合。如图3所示:

(4) 大力开发系统办公软件、数据库系统、应用平台, 以WEB发布的形式有效地进行监控, 充分发挥物联网优势, 对于决策层, 只需要访问特定的网页就能纵览油田全局信息。

3 结论

基于物联网的“数字”油田核心思想是打破传统的四级架构模式, 取消底层控制层, 做到感知层通过网络层直接与应用层互联的三级架构, 缩减中间环节, 减少人力与物力资源的浪费, 便于统一协调管理。

本论文引入物联网, 结合青海油田现状, 对未来油田物联网的建设提出新的构想, 与以往传统的油田自动化形成对比, 为将来青海油田的自动化建设提供一个更好的工作思路, 利用物联网技术, 简化井上生产结构, 让计量站、配水间和传统的三级布站模式退出历史的舞台, 摆脱“地面工艺调整围着已建场站转”的思想束缚, 全面实现信息化, 网络化的标准结构, 使油田建设真正跨入全数字化油田开发新时代成为可能。

参考文献

[1]王全治.基于物联网技术的PES系统在青海油田的应用[J].中国石油和化工, 2011 (4)

[2]任桂山.赵智.方睿.李明.陈津刚.物联网技术在大港油田的研究和应用, 2011

[3]许代红.蓝永乾.运用物联网技术构建数字化油田生产运行综合管理平台[J].通信管理与技术, 2011

基于物联网技术的数字化油田建设 篇6

数字化油田系统是近几年来随着信息技术的飞速发展, 石油需求的急剧增加和经济信息全球化的逐步加深而出现的一项新技术。它在油田的信息交流和管理决策中发挥着越来越重要的作用, 然而数字化油田系统的发展还并不十分完善, 尤其在中国起步比较晚, 油田数字化进程比较缓慢, 与国外同期水平相比还具有很大的差距, 而且数字化油田系统的实现需要大量的人力、物力和财力来支撑, 所以寻求一种经济、高效、可行的数字化油田系统解决方案是十分必要的。

2 油田物联网项目目的

油田的物联网项目建设目标是利用物联网技术, 实现油气田井区、计量间、集输站、联合站、处理厂生产数据、设备状态信息在作业区生产指挥中心及生产控制中心的集中管理和控制, 提高生产操作过程数字化和生产运行自动化管理水平, 通过搭建的统一管理平台, 对油田重点生产设施、站库、以及重点油气井的施工和运行实时监控, 保障矿区安全生产和治安防范, 为油气生产决策服务。项目建设, 进一步优化生产工艺流程, 提高油田开发生产监控的范围和深度, 降低员工劳动强度, 为实施精细化管理创造条件, 以达到降低生产成本、为企业创新创效的目的。

3 油田物联网建设

在物联网技术支持下的“数字化油田”将以建设整合数据自动采集、数据传输网络、生产管理系统、自动化控制、井站配套支持系统为基础。 (如图1)

实现“多级监控、流程管理、同一平台、数据共享、智能分析、实时预警、精确定位、协同动作”, 为提高运行管理的水平和地面工艺的简化提供了充分的支撑。

3.1 数据自动采集系统

数据自动采集可分为单井数据采集和站库数据采集。单井自动采集系统根据油田生产管理的实际需求, 对油、气、水井的数据进行自动采集;站库数据自动采集主要针对计量间、中转站、增压站、注入站、注汽站等油气生产环节和处理站、联合站等油气处理环节。油气生产环节的站库应采集生产管理所需的主要参数, 油气处理环节的站库根据工艺要求采集关键参数, 实现关键过程连锁控制, 以满足油气处理、安全生产的需要。

3.2 数据传输网络系统

数据传输网可依据现场实际情况, 采用有线、无线或混合组网方式, 工控网应与办公网隔离, 建立健全网络安全体系, 确保数据传输实时、安全、稳定。对于集中建设的丛式井场及站库可采用光纤接入方式, 满足数据采集及视频监控对带宽的要求。地理位置偏远、分散的油气水井、计量间等可采用无线接入方式。在未覆盖网络地区可根据实际情况采用手持终端设备 (PDA) 进行数据采集。

3.3 生产管理系统

生产管理系统主要设置在中控室, 其功能包括数据管理、展示与协同工作等系统。对井站、功图、视频等采集的数据实施管理, 实现实时型数据到关系型数据的整合, 进而实现油水井工况、油水井动态、视频监测、综合展示、协同工作等应用功能。

3.4 自动控制系统

自动控制系统旨在对生产设备进行远程控制, 包括紧急关断、抽油机启停、集成增压撬、自动投球收球装置及配套的控制系统等。自动控制系统通过对井场和各种站库采集传输来的数据进行实时监控、分析, 根据监控情况和生产管理的需要, 实现远程控制单井启停、注水自动调节控制、锅炉燃烧机控制等。

3.5 井站配套支持系统

井站配套支持系统是指针对单井、站库所配置的各种设备的支撑系统, 包括常规电力、太阳能或风能发电设备, 以及其他配套支持设备等。其中油水井生产主要采用工业用电;气井根据采气工艺一般采用低功耗的太阳能供电, 辅助配备蓄电池组, 实现夜间、阴天连续供电, 以保证各类传感器、截断阀、视频等设备正常工作。 (如图2)

4 结论

基于物联网技术的数字化油田建设, 在数据自动化采集、井站远程监控、生产设备远程控制方面有很广阔的应用前景。通过油气生产物联网系统建设, 将有效提高生产操作单元的自动化水平, 保障生产安全、稳定、高效地运行, 改善员工生产、生活环境, 体现以人为本的理念。

摘要：物联网 (The Internet of things) 是以现有网络为基础, 对各种传感设备、监控设备进行有效地整合通过建立相应的数据采集、传输、自动化控制系统实现对各种终端设备的统一管理。针对油田开展的物联网建设将通过建立统一的平台集成现有信息化系统对各种生产设备进行远程控制、生产数据进行自动采集传输、站库及其重点井实现远程监控, 为油田的精细化管理提供条件。

关键词：物联网,数字化油田

参考文献

[1]《数字油田》, 李剑锋编著, 化学工业出版社, 2006.07[1]《数字油田》, 李剑锋编著, 化学工业出版社, 2006.07

[2]《推进信息化, 建设数字油田》, 李小千编著, 中国经济时报, 2004年[2]《推进信息化, 建设数字油田》, 李小千编著, 中国经济时报, 2004年

基于物联网的数字家庭论文 篇7

与普通家居相比,智能家居系统使得原本被动、静止的居住空间变得能动、智能起来,家庭内外部的信息交换变得通畅[1]。它可以帮助大家合理安排时间,提升效率,为大家提供更舒适、安全、健康、便捷的居家体验以及更高效的能源利用,从而拥有更节能、经济、环保的生活方式[2]。

智能家居系统具有很现实的意义而且需求量巨大,然而现在智能家居行业仍处于起步阶段,现有的系统普遍存在一些问题,如标准不统一、购买及使用成本高、对外不可扩展等[3]。以上两方面构成了矛盾,因此研究设计一套低功耗、低成本、可扩展且统一平台的智能家居系统显得十分必要[4]。

1 基于物联网公共云平台的智能家居系统架构设计与实现

1.1 系统整体架构设计

基于物联网公共云平台的远程家庭感知与控制系统架构如图1所示。该系统主要由感知与控制终端、网络层和用户终端应用系统三部分组成。感知与控制终端由各种传感器和控制器构成,主要完成环境信息的采集和控制;网络层由私有局域网、互联网、移动通信网络和云计算平台等组成,完成传递和处理感知与控制终端获取的信息;用户终端应用系统是云平台和用户之间的接口,以Web或终端APP的形式将信息内容呈现给用户,并提供基本操作等功能[5]。

安设在家中的数目及种类众多的传感器完成家居环境数据的采集,通过Wi Fi网络经路由器将这些数据上传到公共云平台服务器。云平台一方面完成这些数据的实时显示,另一方面当环境数据不合理时可给出相应的调整策略,包括向家庭成员推送消息提醒和自动触发预先设定的规则[6]。

本方案中公共云平台取代了传统的PC机或某种嵌入式设备作为服务器,成为了系统核心。该系统可以被看作是一种上/下位机结构,上位机就是云平台,用于完成设备接入、控制逻辑处理、数据管理等,下位机就是各种智能终端,即网络采集和控制终端,由一些传感器、继电器、单片机和Wi Fi模块组成,用于完成家庭环境数据的采集和家电设备的开关控制。

1.2 云平台部署形式选择

目前,基于云计算的应用还处于初级阶段,架设私有云和社区云对每个家庭的成本开支比较大,而混合云现在发展的还很不成熟,故选用了单位价格低廉、功能全面、应用灵活的公有云作为智能家居系统的搭建模式。

1.3 云架构及其服务模式

根据云计算面向的用户及需求不同,云架构通常也不同,运营商提供的云服务模式侧重点也各有差别,但是云架构的本质是不变的,NIST将其服务模式划分为三个层次:Iaas(Infrastructure as a Service,基础设施即服务),Paa S(Platform as a Service,平台即服务),Saa S(Software as a Service,软件即服务)。Paa S和Iaa S源于Saa S理念[7]。对于不同类型的用户,这三层的关系不是相互独立的,即使对于系统开发人员,这三层也不是简单的继承关系[8]。智能家居云服务系统的服务对象主要是:平台管理者、系统开发者和普通家庭用户,因此,结合云架构的服务模式设计的基于云平台的智能家居系统架构图如图2所示。

2 智能感知与控制终端设计与实现

2.1 终端硬件总体设计

智能感知与控制终端硬件总体结构如图3所示。终端硬件采用模块化的设计思想,共分为五部分,其中主控制器选用了以Atmega328为核心的AVR单片机Ar⁃duino;采集与控制模块由各种传感器及继电器设备组成,主要完成环境数据的采集与电器开关控制;显示与报警模块由液晶显示屏、LED灯、蜂鸣器等组成,负责环境数据的本地显示与超阈值报警;语音控制模块由语音识别与语音合成模块组成,主要功能是接收控制指令与反馈执行结果;网络模块选用了ENC28J60这款以太网控制器,并配合Wi Fi模块主要实现终端设备的无线互联网接入功能。

2.2 主控制器选型

主控制器选用了以Atmega328为核心的AVR单片机Arduino。Arduino在简化单片机工作流程的同时,更有价格低、硬件开源、可扩展、良好的跨平台性等优点[8]。Arduino编程语言基于AVR⁃C。终端设备的主控芯片选择了与Uno功能大体相同,但体积更小、价格更低的Pro Mini板。Arduino Uno的大脑是Atmel AVR Atmega328,它封装了中央处理器(CPU)、内存阵列、时钟和外围设备。

2.3 网络模块接入与网络配置

(1)以太网控制器选型与接线。为了将主控Ardu⁃ino设备连入网络就必须为其配置网络模块,本文采用了一种价格更为低廉、体积更小的基于Microchip ENC28J60的以太网控制器。

(2)网络控制器参数配置。在把一个网络设备连接到互联网之前,首先需要对其参数进行一些配置,对ENC28J60的网络参数配置通过配置其库函数实现。

(3)无线Wi Fi模块配置。为了实现设备可以通过Wi Fi网络接入无线路由器,本方案选用了TPLINKTL⁃WR702N,并将其配置成客户端,在这种模式下,路由器的作用就像无线网络与有线网络之间的桥梁一样。WR702N很小,并且可以通过Micro USB线给它供电。

2.4 语音控制设计与实现

为了提升智能家居系统使用的便利性与趣味性,本文采用LD3320语音识别模块设置了二十几条指令用于语音控制灯光、窗帘、空调等设备,并配合SYN6288语音合成模块,编写软件程序,构建本地人机交互系统[9]。SYN6288通过UART通信方式,接收待合成的文本数据实现TTS(文本到语音)的转换。项目针对SYN6288中文及数字语音播报进行了编程实现。

为了最大程度地防止系统出现误操作,在本文程序设计中加入了一条触发指令“瓦力”,只有在系统首先识别到“瓦力”指令的时候,才进入5 s的接收控制指令状态。例如,如果要执行开灯命令,则需先说:“瓦力”,之后系统会说:“您好”,然后你再说:“开灯”,之后系统才会检测开关状态、执行开灯命令。如果不先叫“瓦力”的名字,它不会理会你的吩咐。本地控制系统中加入语音识别和合成功能,不仅使系统下达控制指令更加方便,而且智能家居系统在实时检测环境信息,当有危险情况发生时,系统可以及时报警并语音播报危险情况。

2.5 舒适度感知与控制

舒适度感知与控制终端主要完成家居环境温度、湿度和颗粒物的检测与显示,并通过网络模块将这些环境数据上传到云平台,当温度数据超出云平台设定的阈值时,云平台推送控制命令到该终端,终端接收命令并执行发送红外信号开启空调的操作。舒适度感知与控制终端程序设计了本地工作模式和云工作模式两种状态。两种状态相互独立,可通过语音指令进行切换。

本文在处理采集到的颗粒物数据时,融合了中位值滤波与算数平均滤波两种算法,即首先对被测量连续采样N次,然后去除队列中的最大值和最小值,计算剩余N-2个数据的算术平均值,另外,考虑到计算速度与RAM大小,本文程序设置N为10。这种改进算法的优点明显,可有效消除偶然出现的脉冲性干扰引起的采样值偏差,而且对于周期干扰有良好的抑制作用。红外接收头选用38 k Hz接收头,用于接收家中电视机和空调的红外编码。

2.6 安全性感知与控制

家居安全性的感知包括两个方面:一是对煤气、天然气泄漏的检测;二是对外人入侵的检测,当无人在家中时,如果红外监测模块检测到有人通过门或窗进入室内,则发送消息给家庭成员,及时报警[10]。

家居安全性的感知使用户能够拥有一个更加安全的环境。当然用户不希望家人在家时红外检测一直进行,做饭时产生的油烟也可能会使燃气检测装置一直报警,这时只需告诉智能小助手,“我回来了”、“我要做饭了”类似这样的指令,红外检测装置会自动的停止检测,燃气泄漏报警装置停止报警,此时燃气传感器仍然在采集数据,但向云平台发送的数据经过了取负处理,云平台显示做饭模式。燃气泄漏模块选用MQ2款传感器,红外运动检测模块选用HC⁃SR501人体热释电运动检测传感器。

2.7 能耗感知与控制

能耗感知与控制终端主要实现对家中各种用电设备的耗电监测与远程开关控制,这样即使不在家中仍然能够控制家中电器。能耗检测模块可选用JSY⁃MK⁃109计量模块,光照强度检测模块在本项目设计中采用BH1750FVI,其光强度探测范围为1~65 535 lx。能耗感知与控制终端组成,如图4所示。

3 智能终端与云平台服务器的通信实现

3.1 利用Socket技术实现上层应用程序通信

客户端主机A上的上层应用程序A要与服务器主机B上的上层应用程序C实现通信,需要经过下面几个步骤:

(1)网络层的IP协议根据IP地址寻找目标主机;

(2)找到目标主机后根据TCP/IP协议建立连接(TCP或UDP);

(3)建立Socket连接;

(4)通过端口号从主机上运行的多个应用程序中找到指定的应用程序。

3.2 数据上传与反向控制流程设计

(1)总体流程设计。基于物联网公共云平台的远程家庭感知与控制系统组成及各主要部分通信过程流程图如图5所示。

(2)TCP连接实现。在创建Socket连接时,需要指定传输层协议(TCP或UDP),本项目长连接反向控制基于TCP协议,因此在这种情况下可以说Socket连接就是TCP连接。Socket连接的建立流程主要包括:服务器监听、客户端请求、连接确认。

(3)HTTP请求Post数据实现。本设计中需要将传感器数据上传到云平台,因此用到的是Post方法,HTTP请求格式如表1所示。

4 系统整体测试

4.1 测试环境

为了测试系统,首先需要搭建网络环境:无线路由器一台(型号TP⁃LINKTL⁃WR740N),IPv4默认网关为192.168.1.1,该路由器能够接入Internet,;以Arduino作为主控板的智能终端,程序中配置其IP地址为192.168.1.102,网络控制器通过RJ45接口与Wi Fi模块相连,Wi Fi模块选用TPLINKTL⁃WR702N,并将其配置成客户端工作模式,与TP⁃LINKTL⁃WR740N无线通信;Android操作系统移动终端一台,使用HTCONE智能手机,Android系统版本为5.0.2,使用Chrome浏览器,Java Script版本为V84.2.77.15;PC机一台,操作系统为Windows 8。

4.2 功能测试

(1)通过浏览器查看与控制环境数据

PC端打开浏览器,登陆平台管理系统即可查看各传感器设备实时的或最近一段时间的环境数值。用智能手机打开蜂窝数据流量开关,在浏览器输入网址,登陆账号即可查看与控制设备。

(2)本地语音控制测试

说出指令“瓦力”,回复“为您服务”;5 s内没有进一步指令,回复“您什么都没说”;5 s内有进一步指令“开灯”,执行开灯操作,反馈执行结果“灯已打开”;再次说“开灯”,回复“灯已打开”;指令关灯,回复“正在关灯”,执行关灯操作。

(3)微信命令测试

测试温湿度查询指令inquiry_t&h,平台依据不同阈值设置的发送内容成功返回数据。

测试开关灯指令,平台会返回执行结果,发送open_light1指令时,客厅灯开启。

(4)本地Web服务器功能测试

智能手机打开Wi Fi网络开关,接入无线路由器,则该手机与智能终端处于同一局域网环境,本文设计实现了Arduino作为Web服务器的功能,即使没有Internet访问时,仍可以通过输入网址访问自己设计的Web页面,进行开关控制和传感器数据查看。

5 结论

本文在分析了智能家居的市场及研究现状后,指出了现有智能家居系统的一些不足之处,针对这些问题,提出了一种基于物联网公共云平台的智能家居系统解决方案。本文对基于云平台的智能家居系统做出了一定的探索研究,整个课题在一定程度上达到了预期的效果。

摘要：针对智能家居系统普遍存在标准不统一、购买及使用成本高、对外不可扩展等问题,提出了一种基于物联网公共云平台的智能家居系统解决方案。设计和实现了一种基于公共云平台的智能家居系统整体架构,提出了家居环境舒适度、安全性、能耗三种智能终端,通过语音指令方便切换,实现了家居环境舒适度、安全性、能耗三个方面的感知与控制。然后,完成了智能终端设备与云平台服务器间的通信流程,实现了终端设备向云平台服务器上传数据以及云平台下发控制指令到终端设备的功能。最后,搭建了房屋模型,设计了智能家居系统可视化的展示平台,实现了设备通过Internet或移动互联网在任何时间、任何地点远程查看和控制家中智能设备。

关键词：物联网,公共云平台,智能家居,远程感知与控制

参考文献

[1]苏本跃,王广军,章健.基于物联网环境下体感交互技术的智能家居系统[J].中南大学学报(自然科学版),2014,44(z1):181-184.

[2]沈苏彬,杨震.物联网体系结构及其标准化[J].南京邮电大学学报(自然科学版),2015,35(1):1-18.

[3]张一哲,杨晓晴,马国庆.基于电力载波通信和RS485通信的住宅小区安防报警系统设计[J].电气应用,2013,32(10):50-53.

[4]任荣.基于B/S结构的智能家居系统的研究和实现[J].广东通信技术,2012(12):25-29.

[5]杨斌,李仲龙,孙林花,等.PC+时代搭建智能家居平台的探索与研究[J].电脑知识与技术,2013(8):5133-5135.

[6]吴佳兴,李爱国.基于云计算的智能家居系统[J].计算机应用与软件,2013,30(7):240-243.

[7]李鸿.几种智能家居网络控制系统方案的分析与比较[J].现代电子技术,2010,33(3):143-146.

[8]裴超.基于云计算的智能家居系统架构研究[J].软件导刊,2014,13(3):80-82.

[9]张宏君,高晓婧.一种基于物联网的智能配送终端系统设计[J].现代电子技术,2014,37(21):24-26.