FPGA在物联网智能家居中的应用

摘要：随着物联网技术的不断发展，人们对家的期望以及对家所赋予的定义不再拘泥于传统的生活方式，智能家居也成为近些年来信息技术领域研究的热点方向。本文所体现的物联网智能家居设计是基于FPGA技术的，能够多媒体控制等功能，为用户提供全新物联网智能家居生活体验。智能家居系统利用智能开关、智能插座等传感器和控制器，将门窗、照明、家电、安防等家居设备连成家居网络，进行统一管理。而在智能家居的网络中，智能网关负责对整个系统网络进行信息处理和命令协调，是整个系统的“大脑”或者说“中枢”。 
关键词：智能家居；FPGA；ZigBee； 
        智能家居系统的概念起源于上世纪70年代的美国，随后，传播到欧洲、日本等国并且得到了很好的发展。在我国，智能家居这一概念推广较晚，约在90年代末家居智能化系统才得以进入国内，但发展速度惊人。随着物联网技术的不断发展，根据人们需求而开发设计的智能家居系统拥有更加优越及复杂的配置，可以将家庭中各种通信设备、家用电器以及家庭保安装置通过物联网技术连接起来，实现环境控制、养鱼养花、烧水煮饭、多媒体控制及安全报警等功能，并可以异地监控、管理、报警，为住户提供安全舒适、高效便利的学习生活及工作环境。 
　　由于智能家居系统还缺乏统一明确的国际标准，许多公司开发出的产品都是基于自己组网和信息交换协议，很多产品是针对特定的组网环境开发的，部分核心技术没有对外公布，技术复杂，直接导致了使用范围的局限性。再者，缺乏对应的第三方产品，各个接入设备之间不能兼容，互操作性差，不利于产品的扩充，因而进一步局限了产品的发展。再加上有的系统成本过高，严重影响了产品的普及。本文通过FPGA构建了一个嵌入式控制处理平台，利用FPGA技术低功耗、定制性高、扩展性强、接口灵活等优点，实现了物联网智能家居控制部分的设计，能够满足家居需要。 
1. FPGA在物联网智能家居中的应用 
　　目前常见的智能家居系统大多基于ARM的嵌入式系统，这类系统并不能同时支持多种无线通信协议。通过整合多种无线通信控制方式，来实现基于FPGA的物联网智能家居控制器，为智能家居的控制领域探索了一种新可行性的方法。利用FPGA芯片可自由定制以及接口灵活性的特点，设计智能家居控制器各个模块，相比ARM单片机支持串口少的短板，可以使系统在同一时刻支持多种通信方式，从而使系统具有更高的适应性和可扩展性，能够同时控制多达31个家用电器，基本满足日常家居需要。 

 2. 1999年，美国麻省理工学院首次提出了物联网的概念，国际电信联盟(ITU)在2005年的年度报告中对物联网的概念进行了扩展，认为物联网是通过射频识别(RFID)、红外感应、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。这样，在物联网时代，只要通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，世界上的所有物体都可以通过Internet进行信息交换。从智能家居的角度，可以通过一个例子形象地描述物联网。周末的早晨，当你还在熟睡的时候，你预定的闹铃响了，如果你按掉了闹铃，这个时候，闹钟会送出一个信息给咖啡机说：“先等一会，这个家伙又赖床了，15分钟后再煮咖啡。”咖啡机接到信息的同时又会发送一个信息给烤面包机等15分钟再烤面包，通过这样的物与物的交流，我们的居家生活将变得智能和有趣。物联网是通过许多技术实现的，从应用末端感知的核心技术角度，物联网技术可以分为以下三大类：

      第一，基于RFID的应用。在想要监控和管理的对象上嵌入RFID智能标签，这样，借助已有的网络技术、数据库技术、中间件技术，就可以构建一个由大量的读写器和无数移动的电子标签组成的物联网，也就是基于RFID的物联网。

      第二，基于传感器的应用。在想要控制和管理的对象周围布置大量的传感器节点，通过节点采集监控对象的信息，并将这些采集到的信息传送到信息处理中心，从而根据采集到的信息构建一个对“物”进行监控和管理的物联网。

      第三，基于M2M的应用。这里的M既可以是人(Man)，也可以是机器(Machine)，M2M泛指人、机器之间建立连接的所有手段和技术，涵盖了增强机器设备通信和网络能力的技术，其技术目标是促进设备的智能化。通过M2M技术，可以构建人对机器(Man to Machine)、机器对人(Mac hine toMan)、机器对机器(Machine to Machine)的物联网。 
 3. 物联网在智能家居中的应用 
     传统的智能家居大部分是通过有线的方式组成智能家居系统，这种方式不仅需要专业人员的参与、专门公司维护，而且施工周期长，系统灵活性差。而物联网智能家居则是将无线物联网技术和智能家居有机地融合在一起，从而构建一个安装简单、使用方便、维护容易、扩展随心所欲的智能家居系统。 
依据业内普遍认为的物联网体系架构，家居物联网可以分为感知层、网络层和应用层。 
    （1 ）感知层 全面感知是物联网技术的一个特征，即利用射频识别(RFID)、二维码、GPS、摄像头、传感器等感知、捕获、测量技术手段，随时随地地对感知对象进行信息采集和获取。在智能家居中，感知对象分为人们所生活的家庭环境和人本身，传统智能家居中的8大子系统可作为感知层的执行设备。除此之外，物联网智能家居系统还应用了许多典型的感知技术，比如无线温湿度传感器，无线门磁、窗磁，无线燃气泄漏传感器等。 
    （2 ）网络层 物联网中的网络层包括各种通信网络与互联网形成的融合网络，除此之外，还包括家居物联网管理中心、信息中心、云计算平台、专家系统等对海量信息进行智能处理的部分。在智能家居中，网络层不但要具备网络运营的能力，还要提升信息运营的能力，如对数据库的应用等。在网络层中，尤其要处理好可靠传送和智能处理这两个问题。 
    （3 ）应用层 应用层是将物联网技术和智能家居专业技术相结合来实现家居智能化应用的解决方案集。物联网通过应用层最终实现信息技术和传统家居的深度融合，这主要体现在智能电网应用、家庭医疗应用、多媒体娱乐应用、家庭安防应用和家庭控制应用等。除此之外，应用层还为家庭服务商提供有第三方借口，以提供便于人们生活的各种服务。 
 4 结语 
    目前，严格地说，物联网在智能家居中的应用还主要集中在感知层的应用方面，只能说应用了物联网当中的某项技术，离一个真正意义上、无处不在的物联网智能家居还有一段距离，尤其是在应用层的融合方面，还需要多行业深度合作，才能提供一个全方位的智能家居。此外，标准不统一也是制约物联网智能家居发展的一大瓶颈。而在未来，物联网智能家居离开云是不可想象的，每一个家庭其实就是一个“云家”，不管你身在何地，家里的风吹草动对你都是透明的，所以，除了制定标准，推动多行业的深度合作外，云技术的研究和应用也是发展物联网智能家居的一个关键所在。