軟件可定義智能家居系統的設計

包依勤++袁杰

摘 要：當今社會經濟迅速發展，智能家居逐漸流行。由于費用問題和維護問題，智能家居真正投入使用的大多是高檔小區、別墅及一些特殊場合。我國是人口大國，大多數家庭還未體驗到智能家居帶來的便捷性和安全性。文中設計的系統軟件可定義智能家居根據用戶家庭需求、用戶習慣提供服務，具有成本低、效率高、可擴展性強等特點。系統由云服務器、網關、采集器、移動端等組成，除遠程實現家電控制外，系統云平臺上還產生了大量數據，可通過數據挖掘技術分析用戶習慣，從而產生較好的社會經濟價值。

關鍵詞：智能家居；可定義；大數據；云計算

中圖分類號：TP368；TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）10-00-03

0 引 言

目前，我國只擁有幾十萬使用智能家居的家庭，究其原因，安裝智能家居需要花費巨額費用，對于普通家庭而言難以承受，因此較多用于高檔小區、別墅及一些特殊場合，從而影響了家居智能化的推進速度。我國是一個人口大國，普遍家庭目前尚未體驗到智能家居帶來的便捷和安全。所以應順應實際情況，建立一個低成本，高效率的智能家居系統，方便更多的家庭體驗和使用。

通過軟件定義智能家居能夠很好地解決上述問題，實現遠程控制、安防等全方位的管理，不僅給家庭用戶帶來了便捷的體驗，還能讓用戶體驗到個性化服務。本設計通過研究物聯網、云平臺、大數據等研發出一套可定義的控制平臺，能有效控制智能家居的成本，并提升其可擴展性與可維護性，極大地削減了安裝及維護費用，為用戶提供便捷且安全的服務，主要包括以下幾方面：

（1）可定義家居控制方式，選擇本地或遠程控制；

（2）軟件可定義房間個數、房間名稱、房間背景，如客廳、書房、臥室等；

（3）軟件可定義家電個數、家電位置，如電燈、窗簾、電視、空調等；

（4）軟件可定義傳感器，如CO2、甲醛、PM2.5傳感器等。

1 軟件可定義智能系統的架構

軟件可定義智能家居系統采用集中式信息處理模式，其架構如圖1所示。系統主要由上層、中間層、底層構成。上層由云服務器、手機App構成；中間層是家庭網關；底層由控制臺、傳感器、控制面板、電器設備、開關等構成。軟件可定義智能家居，用戶通過手機App遠程控制家電，數據流經云平臺時，會產生大量數據，便于云平臺進行大數據分析。家庭網關是整個系統的中間樞紐，向上與云服務器網絡連接，接收用戶發出的命令，向下與控制器連接，轉發上層發出的命令。底層控制器通過物理方式連接所有的傳感器、控制面板、家電開關等，完成真正的開關控制和數據采集。

底層控制臺包含多種物理接口，如RS 232、RS 485、無線、32個通用IO口，可連接多種傳感器、控制面板、家用電器、開關等。軟件可定義由控制器通過物理方式連接的電器和傳感器，在手機App上進行定義設置。家庭網關具有可視化界面，可顯示傳感器實時數據和家用電器開關狀態，同時可在網關界面上控制家用電器。

2 控制臺的設計

控制臺采用Philips公司生產的LPC2132作為CPU， LPC2132具有片內8 KB RAM和片內64 KB的程序Flash，具有2個串口，多個I2C和SPI接口，還擁有64個管腳。控制器通過COM0與家庭網關連接，COM1通過串口轉換器轉換成RS 485，再通過RS 485總線與傳感器連接。控制器向上統一采用Modbus規約，向下的規約可能會因為傳感器的不同而不同，需要再定義。家庭網關與云平臺的通訊采用TCP Socket，統一采用Modbus規約。

2.1 通訊規約

控制臺上行通訊采用Modbus規約，便于網關的實時采集，同時也保證了系統的可靠性。Modbus規約幀格式見表1所列， 功能碼見表2所列。由于將傳感器作為寄存器，故定義為多路寄存器，在設計中通過功能碼10實現對傳感器數據的采集。

2.2 傳感器和控制面板

傳感器技術是實現測試與自動控制的重要環節，在系統中被作為一次定位，其主要特征是能準確傳遞和檢測出某一形態信息，并將其轉換成另一種形態信息。在智能家居系統中，傳感器信息包括PM2.5、CO2、甲醛等，控制臺中實時采集和保存傳感器信息，用戶足不出戶便可知道家中的環境狀態?？刂泼姘迨且粋€智能開關，相當于一個傳感器，可通過命令實現狀態采集和遠程控制等。

3 家庭網關的設計

家庭網關基于Android操作系統，具備多個串口和一個無線WiFi網口。串口與控制臺相聯，WiFi無線網口與互聯網相聯，通過軟件技術完成網關通訊的功能。從而在家庭內部各種家電信息共享的基礎上，進一步實現了基于Internet的資源共享，在加深共享深度的同時擴寬了網絡廣度，這將是軟件可定義智能家居系統發展的重點。家庭網關主要具有家電控制、傳感器信息共享等功能。

3.1 實時監測界面

當傳感模塊傳來的數據超出設定值范圍時會變成紅色。當處于紅色狀態時，由于網關實時監控，因此會發出報警，提醒家庭用戶。實時監測界面如圖2所示。

3.2 智能控制界面

通過家電控制單元，用戶可打開和關閉特定家電，從而實現對家電的控制，且該模塊會通過互聯網絡傳入移動客戶端手機App上，方便用戶遠程實時了解家電的開關狀態。智能控制界面如圖3所示。

4 手機App軟件的設計

4.1 軟件可定義功能

4.1.1 背景可定義

該功能不同于傳統的智能家居，由于家家戶戶的布置和樣式都不一樣，因此手機應用十分個性化，所以在App軟件中需實現背景的可定義?？赏ㄟ^拍照將自家房間做為軟件背景，直接模擬家庭樣式，效果更直觀。大廳控制界面如圖4所示。

4.1.2 家電位置可定義endprint

不同家庭的家電位置不一樣，也可移動，比如電視機之前安裝在南墻上，而現在移動到了北墻上，所以需要通過軟件自定義家電的位置。無論家中因為裝修或其他原因需要改變家電位置，都可以通過軟件實現家電位置的定義，家電位置如圖5所示。

4.1.3 房間可定義

不同家庭戶型不一樣，我們可設置房間個數和房間名，如圖6所示。設置完成后界面顯示如圖7所示。

4.1.4 家電可定義

傳統的智能家居若新增或改動設備十分困難，需要從軟件修改方面入手，而文中設計的軟件可定義智能家居系統只需用戶動動手指就能在上面增加或修改，實現了家電管理的可定義。設置界面如圖8所示，客廳節點（相當于電器）顯示界面如圖9所示。

4.1.5 組合開關可定義

若用戶想同時開關兩個、三個或者更多設備時，只需要創建組合控制即可，實現了組合開關的可定義。

4.1.6 信息狀態同步的可定義

家里的家電運行狀態可以同步到移動客戶端，方便用戶實時了解家電的狀態。

4.2 軟件流程

手機App流程如圖10所示。

5 云平臺設計

云平臺是一套基于J2EE開發的服務器系統，布置在阿里云上，采用MySQL數據庫，客戶端手機App與服務器通過HTTP請求JSON格式通訊。這種結構將大量數據存儲在數據庫服務器中，使得開發、維護等幾乎所有工作都集中在服務器端，可有效保護數據平臺、管理訪問權限和服務器數據。在TCP/IP協議網絡應用中，通常進程間的通信采用客戶/服務器模式（Client/Server Model），所以本系統也采用這種模式實現服務器和手機客戶端的數據交互。本系統服務器的整體架構如圖11所示。

6 系統主要特點

（1）系統采用的通信技術包括有線通信和無線通信，可根據家庭情況而定，新裝修的家庭建議采用有線通信，重新改造的家庭建議采用無線通信，系統中可定義這兩種方式。由于其具有低成本、低功耗、較遠的覆蓋范圍及通用性強等特點，因此必將成為智能家居系統中的一個亮點，同時也將為現代智能家居系統帶來一場新的變革。

（2）系統采用嵌入式網關技術，家庭網關具有本地服務功能，移動終端可連接網關實現數據采集和共享功能，移動終端也可通過云平臺實現對設備的控制、檢測、判定（判斷傳感器上的數值是否超過限定安全數值）等功能。

（3）系統采用軟件可定義技術，通過Android系統來定義智能終端軟件，也可根據用戶需求定義功能、界面等。其擁有可擴展性強、界面清楚、方便控制、使用簡單等特點，而這也是軟件可定義智能家居系統獨有的功能。

7 結 語

本系統不僅改進了傳統智能家居中存在的安裝、維護困難等缺憾，同時還實現了產品的個性化。該系統主要通過軟件可定義實現對家居界面個性化和家電信息的控制，并可實時返回信息。無論用戶身在何處都可隨時隨地了解家中家電的開關情況。系統能夠實時精確的將傳感器數據返回到手機應用上，一旦超過預期所設的數據將會發出報警。本系統在安全方面和報警方面已基本完善，具有成本低、維護和擴展簡便、易操作等優點。

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