基于WiFi構建的智能家居控制系統的設計

董思喬，趙榮建，孫 通

（1.國家無線電監測中心，北京 100041；2.深圳市艾爾曼電子儀器有限公司，廣東 深圳 518067）

基于WiFi構建的智能家居控制系統的設計

董思喬1，趙榮建2，孫 通2

（1.國家無線電監測中心，北京 100041；2.深圳市艾爾曼電子儀器有限公司，廣東 深圳 518067）

介紹了一種新型的基于WiFi構建的智能家居控制系統，系統采用PC主機和智能手機作為基本硬件平臺，輔助WiFi智能插座和WiFi智能傳感器，就可以實現智能家居控制系統。利用PC機做智能家居控制系統的中央處理器，手持終端設備（通常是智能手機）作控制媒介，實現對智能家居的控制。在系統的軟件部分，PC機采用Linux或Windows操作系統，使用JavaScript作為網絡服務器腳本語言編寫；智能手機采用通用的Android系統，采用Java語言編寫；它們及控制接口的Web通信采用Node.js技術實現。通過對系統進行性能測試，結果表明，系統運行穩定，實時性好，性價比高，具有一定的實用價值。

WiFi控制；JavaScript；Node.js技術；Qt Quick技術

隨著電子技術的發展，各種自動化、智能化產品層出不窮，極大地改變了人們的生活方式[1]。智能家居就是在這樣的背景下應運而生。智能家居控制系統以一個中央處理器接收到相關傳感器模塊的信號后，發送適當的信息給其他電子設備產品，從而控制家中的電子電器[2-3]。中央處理器通常通過其他媒介來控制電子電器，媒介可以是鍵盤、觸摸屏、智能手機、電話機等；使用者通過這些介質發送信號至中央處理器，或者接收中央處理器的信號。傳統的智能家居控制器一般采用簡單的8位或16位單片機做控制，控制比較簡單，不適合網絡化和無線控制[1]。

本文的設計基于PC機和WiFi控制技術，設計了一種全新的、實用的智能家居控制系統，本設計采用PC機作為中央控制器，不需要更換現有的家用電器，只需要增加WiFi智能插座、WiFi智能傳感器等WiFi設備即可，不需要額外布線。設計采用Android智能手機作為控制媒介，采用Node.js技術、Qt Quick技術、Java技術、TCP/IP技術作為控制網絡的通信手段，使用模塊化的通信手段，實現一系列的諸如遠程控制、智能家居控制等功能[4]。

1 系統總體構成及工作過程

智能家居系統由中央處理器、Internet服務器、控制媒介（智能手機）和添加有WiFi智能插座、WiFi智能傳感器組成的智能家居[2，5]。其中，中央處理器通過服務器連入Internet，并通過智能手機作為控制媒介連入Internet服務器，進而控制WiFi智能家居。其智能家居控制系統總體結構如圖1所示。

圖1 智能家居控制系統的總體構成

該系統正常工作時，用戶可以通過Internet進行訪問，當通過Internet訪問時，本系統可提供一個界面友好的終端軟件，該軟件裝在智能手機上，用戶只需通過該智能手機登錄到運行在家中的服務器即可對家中的設備進行遠程控制。

2 系統的硬件構成

本系統的硬件主要有中央處理器部分與控制媒介兩大部分[2-3，6]。中央處理器部分由PC主機和各種接口電路組成。接口電路主要由WiFi智能插座、WiFi智能傳感器等WiFi設備控制電路組成，并通過WiFi智能插座、WiFi智能傳感器來控制日光燈、空調、電視等智能家居。具體硬件組成框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件組成框圖

主機通過Internet服務器接收控制媒介（智能手機）的控制信息，依照特定的控制信息通過WiFi控制各種智能家居。WiFi智能插座利用了現有家庭中的WiFi網絡，智能手機或平板計算機等在聯網條件下，能通過App操作打開或者關閉指定的電器。而且由于智能插座能夠做到讓電器完全斷電，對于電視機、空調等待機功率較大的電器，用智能插座控制后就能做到隨用隨開，從而節省電費。智能手機發出的WiFi信號給中央處理器，中央處理器經過處理后發出WiFi信號，智能傳感器技術接收中央處理器發出的信息后執行相應的動作。圖像接口電路通過網線直接或WiFi間接連接攝像頭電路和PC主機，打開圖像界面，可直接看到室內的情況。

3 系統的軟件編制

本系統軟件主要由中央處理器的Qt程序、控制媒介的Java程序和系統與Internet服務器的Node.js網絡通信程序組成。具體軟件控制流程如圖3所示。

其中，Qt部分是中央處理器的程序，采用QML語言（Ja?vaScript的一種擴展語言）作為界面顯示控制單元，以讀取smarthome狀態；采用TcpSocket庫與服務器通信，讀取服務器端傳輸過來的數據，對數據進行解析后在顯示界面上顯示；在該部分反復調用timer庫向服務器進行輪詢寫數據，以保證當中央處理器的程序有任何變化時Internet服務器都會感知。

Internet服務器端使用Node.js編程，該部分是整個系統的中間環節，是連接中央處理器程序和Android控制單元的橋梁。使用TcpSocketServer與中央處理器程序通信，使用HttpServer處理與Android控制單元的交互。

在Android控制單元，使用Java語言編程，對Android提供的類庫進行繼承、封裝，以實現一個交互實用簡單、美觀的界面和一個可靠、穩定的Http客戶端單元。Http客戶端和服務器進行通信，服務器又將數據傳輸給中央處理器，反之，Android端的Http客戶端又可以通過處理器感知中央處理器的變化，整個系統在這樣的一個模式下運行，實現智能家居的軟件控制。

4 整體性能測試

圖4是中央處理器控制界面，該界面采用Qt Quick技術和JavaScript技術編程實現。Qt Quick是Qt 4.7中推出的一項新技術。Qt Quick是一種高級用戶界面技術，使用它可輕松地創建供移動和嵌入式設備使用的動態觸摸式界面和輕量級應用程序。Qt Quick用戶界面創建工具包新增一個簡便易學的語言QML[7-9]。QML是對JavaScript一種擴展，它提供一種機制使用QML元素來說明構建一個對象樹[7-8]。圖5是控制媒介（即智能手機）的界面，該界面采用Java語言編寫。Java是一種可以撰寫跨平臺應用軟件的面向對象的程序設計語言，廣泛應用與個人PC、智能手機的通信和控制問題[9-10]。

中央處理器和控制媒介的界面具有同步功能。當操作者通過手機上的App界面控制智能家居時，中央處理器的界面顯示與此相同。操作者也可以在中央處理器上直接操作，手機App也顯示同樣的操作界面。

圖3 系統軟件控制流程圖

圖4 中央處理器控制界面（截圖）

圖5 智能手機控制界面（截圖）

該界面具有以下功能：室內日光燈控制、電視控制、空調控制，以及視頻顯示。在控制媒介（即智能手機）上觸摸空調的開關、模式切換、溫度增減按鈕可以實現對空調狀態的控制，電視模式跟此類似。觸摸每個房間的位置，可以打開或關閉室內的日光燈，并可實時視頻顯示室內的情況。該系統經過測試，所有控制和顯示功能正常，達到預期的設計目的。

5 結論

本文的設計基于PC機和WiFi控制技術，采用PC機作為中央控制器，采用Android智能手機作為控制媒介，采用Node.js技術、Qt Quick技術、Java技術、TCP/IP技術作為控制網絡的通信手段，使用模塊化的通信手段，實現一系列諸如遠程控制、智能家居控制等功能。

在硬件設計上，不是采用傳統的單片機進行控制，而是采用強大的PC機做中央處理器，采用方便易用的智能手機做控制媒介，容易實現且使用廣泛。在軟件設計方面，采用Qt Quick技術和JavaScript技術編程實現中央處理器的控制界面，采用Java語言編寫實現控制媒介的界面，它們及各個控制接口采用Node.js技術進行Web的后臺通信。經過測試驗證，系統各個模塊功能正常，達到設計的預期。

[1]靳江偉，基于ARM的智能家居綜合控制系統的設計與實現[D].沈陽：沈陽理工大學，2011.

[2]南春輝.基于Web技術的嵌入式智能家居系統設計[J].電視技術，2013，37（3）：86-89.

[3]唐永彬，楊恢東.基于ARM11的嵌入式Web網絡監控系統設計[J].電視技術，2011，35（9）：122-124.

[4]BY V.Node.js開發指南[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[5] 曹夢龍，鄒云東.基于Internet和GSM的智能家居網關設計與實現[J].電視技術，2014，38（3）：73-75.

[6]陳剛，付蔚，羅志勇.基于IEEE 802.15.4E的智能家居家電控制系統的研究與實現[J].電視技術，2012，36（24）：23-25.

[7]蔡志明.精通Qt4編程[M].北京：電子工業出版社，2008.

[8]霍亞飛.Qt及Qt Quick開發與實戰精解[M].北京：北京航空航天大學出版社，2012.

[9]DONAHOO M J，CALVERT K L.TCP/IP Sochets編程[M].陳宗斌，譯.北京：清華大學出版社，2009.

[10]ECKEL B.Java編程思想[M].陳昊鵬，譯.北京：機械工業出版社，2007.作者簡介：

董思喬（1984—），碩士，工程師，主研無線電設備管理與開發；

趙榮建（1985—），碩士，工程師，主研智能設備的研究與開發；

孫 通（1991—），本科，工程師，主研智能設備的研究與開發。

責任編輯：閆雯雯

Design of Intelligent Home Control System Base on WiFi

DONG Siqiao1，ZHAO Rongjian2，SUN Tong2
（1.The State Radio Monitoring Center Testing,Beijing 100041,China; 2.Shenzhen Elmmedicare Electronic Instrument Co.,Ltd.,Guangdong Shenzhen 518067,China）

A new type of intelligent home control system based on WiFi is introduced,which uses PC host and the intelligent mobile phone as the basic hardware platform.Under the auxiliary of WiFi smart socket,WiFi smart sensors,it can realize intelligent home control system.It use a PC for smart home control system of the Central Processing Unit(CPU)and a handheld device(usually a smartphone)as a medium of control,the control system for the smart home.In the software part of the system,PC uses Linux or Windows operating system,which uses JavaScript as a scripting language to write a Web server,smart phones use common Android.It is implemented using Java language,and the control interface of Web communication is implemented using Node.js technology.Through the system performance testing,the results show that the system runs stably with good real-time,high performance/price ratio,and has a certain practical value.

WiFi control;JavaScript;Node.Js technology;Qt Quick technology

TN919

B

10.16280/j.videoe.2015.04.024

2014-09-25

【本文獻信息】董思喬，趙榮建，孫通.基于WiFi構建的智能家居控制系統的設計[J].電視技術，2015，39（4）.