一種智能家居系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用

衛(wèi)亞兵　彭凱　張銳

摘 要：文中設(shè)計了一種支持多種無線傳感技術(shù)的智能家居系統(tǒng)解決方案，通過智能家庭網(wǎng)關(guān)的銜接，將家庭內(nèi)部的各無線傳感設(shè)備與外網(wǎng)互聯(lián)，用戶可通過手機、電腦等設(shè)備，隨時隨地地管理、監(jiān)測、控制家庭內(nèi)部的智能設(shè)備。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，易于擴展，滿足了家庭低功耗、低成本的需求，具有一定的普及、推廣價值。

關(guān)鍵詞：智能家居；智能家庭網(wǎng)關(guān)；無線傳感設(shè)備；低功耗；

中圖分類號：TP39；TN915.41 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-0-02

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸和數(shù)據(jù)處理都在計算機或手機類智能終端上進行，網(wǎng)絡(luò)的起點和終點都是計算機或手機類終端，無法到達真實世界中的物品，缺少實物網(wǎng)絡(luò)連接和信息處理的“最后一公里”部分。

物聯(lián)網(wǎng)是一種連接物品的互聯(lián)網(wǎng)，通過互聯(lián)網(wǎng)的通信信道協(xié)調(diào)、控制和分析，實現(xiàn)物與物、物與人，所有物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然產(chǎn)物，也是互聯(lián)網(wǎng)范圍的進一步延伸和擴展。

智能家居系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在小區(qū)家庭居住領(lǐng)域的應(yīng)用，以住宅為平臺，兼具建筑設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電和設(shè)備自動化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體，是計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)向傳統(tǒng)家居滲透發(fā)展的必然結(jié)果。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，同時提供信息交互的功能，使得人們能夠隨時隨地查看家居信息、控制相關(guān)設(shè)備。其應(yīng)用主要有智能照明控制、智能家電控制和智能安防等方面[1]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

智能家居系統(tǒng)的設(shè)計目的是將用戶的指令準確無誤地傳達到指定的家庭電子設(shè)備，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、自動化和智能化的監(jiān)控與管理。

首先，在傳統(tǒng)家居設(shè)備上安裝對應(yīng)的信息節(jié)點模塊，采集家居設(shè)備的相關(guān)信息，上傳或接收下發(fā)的控制命令信息，即能夠使信息數(shù)據(jù)到達最終的家居設(shè)備物品，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)“最后一公里”的連接，完成物品之間的信息互聯(lián)。

其次，需要搭建用于家居信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)募彝?nèi)部子網(wǎng)絡(luò)，將各種智能家居設(shè)備終端節(jié)點連接起來，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的暢通與可靠傳輸。

最后，為了實現(xiàn)遠程異地、隨時隨地地控制家居智能設(shè)備，需要搭建基于互聯(lián)網(wǎng)等公網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)的智能家居云服務(wù)系統(tǒng)，將信息數(shù)據(jù)“最后一公里”的家庭子網(wǎng)絡(luò)連接進來，組成覆蓋到家庭物品設(shè)備的智能家居式物聯(lián)網(wǎng)。結(jié)合上述設(shè)計要點，典型的智能家居系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示。

從智能家居體系架構(gòu)圖中可以看出，相比傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)，家庭內(nèi)部子網(wǎng)以及家居設(shè)備終端節(jié)點這“最后一公里”網(wǎng)絡(luò)是智能家居技術(shù)研究的焦點。

根據(jù)用戶需要，家庭內(nèi)部子網(wǎng)的終端節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間的通信可以采用有線和無線方式。有線連接方式成本低、技術(shù)簡單、通信干擾小，如RS 485串口通信和局域網(wǎng)有線通信，但需要專業(yè)的建筑弱電施工人員參與布線和后期維護，系統(tǒng)靈活性較差，設(shè)備后期擴展較麻煩。無線連接方式相對來說較為靈活，安裝簡單、使用方便、維護簡易、系統(tǒng)擴展可做到隨心所欲，但相比有線來說信號傳輸穩(wěn)定性和抗干擾能力要差。

當前智能家居室內(nèi)無線通信技術(shù)主要有ZigBee，WiFi，藍牙4.0和射頻RF433 MHz，RF2.4 GHz等幾種，這些技術(shù)基本都具備了低功耗，短距離，相對低成本，部署靈活等特點，非常適合家庭等小范圍場所內(nèi)的設(shè)備控制[2]。

不管是有線連接方式還是無線連接方式，都需在家庭內(nèi)部子網(wǎng)絡(luò)中部署一個家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點，將各家居設(shè)備終端節(jié)點連接起來，通過WiFi或網(wǎng)線連接到家庭路由器。家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點是整個智能家居家庭子網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要起到信息中轉(zhuǎn)的作用，將用戶指令傳遞到家居設(shè)備終端節(jié)點進行控制，搜集家居設(shè)備終端節(jié)點的相關(guān)信息并上報給用戶進行監(jiān)控等[3]。

用戶通過手機、平板或電腦等終端設(shè)備可實時查詢、監(jiān)控各個家居設(shè)備終端節(jié)點的運行狀態(tài)信息，可向指定的終端節(jié)點發(fā)起控制命令操作，控制節(jié)點設(shè)備的運行。對于家庭室內(nèi)的用戶操作，所有數(shù)據(jù)信息交互均在家庭內(nèi)部子網(wǎng)內(nèi)完成，無需經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)系統(tǒng)；對于遠程異地操作，則需要云服務(wù)系統(tǒng)的參與，將用戶控制命令正確地轉(zhuǎn)發(fā)至指定的家庭內(nèi)部子網(wǎng)，并將節(jié)點設(shè)備的回復(fù)信息轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)方案

從智能家居系統(tǒng)體系架構(gòu)圖中可以看出，整個系統(tǒng)包括四個部分，分別是家居設(shè)備終端節(jié)點、家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點、手機和電腦控制終端軟件以及遠程云服務(wù)系統(tǒng)軟件。

2.1 家居設(shè)備終端節(jié)點

家居設(shè)備終端節(jié)點是智能家居系統(tǒng)控制管理的目標設(shè)備，主要用于智能照明控制、智能家電控制、智能安防監(jiān)控和智能室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控等方面。在硬件實現(xiàn)上，采用STM8低功耗單片機加無線射頻外設(shè)，具備低成本、低功耗、無線傳輸?shù)忍攸c。

家居設(shè)備終端節(jié)點需要注冊到家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點中，與網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)備建立通信連接，方能接收到用戶的控制指令，并將自身的相關(guān)狀態(tài)信息上報給用戶。家居設(shè)備終端節(jié)點的主要處理流程有注冊流程、控制流程和狀態(tài)維護流程，如圖2所示。

2.2 家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點

家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點是家庭內(nèi)部子網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，將家居設(shè)備終端節(jié)點統(tǒng)一連接起來，并與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)互通。通過家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點將用戶的指令傳遞到終端節(jié)點處，并能將終端節(jié)點的相關(guān)狀態(tài)信息反饋給用戶實時監(jiān)測。

家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點在硬件上采用STM32低功耗單片機作為核心微處理器，具有豐富的多種外設(shè)接口資源。通過外接無線射頻模塊，如RF433 MHz射頻模塊，實現(xiàn)與家居設(shè)備終端節(jié)點的無線射頻通信。外接WiFi集成模塊，實現(xiàn)與家庭路由器的連接互通，完成無線射頻通信到互聯(lián)網(wǎng)通信的轉(zhuǎn)換。

家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點除了參與終端節(jié)點的處理流程，還需要維護與手機控制軟件、遠程云服務(wù)系統(tǒng)的通信連接。

2.3 手機和電腦控制終端軟件

手機和電腦控制終端軟件主要向用戶提供操作界面，接收下發(fā)用戶的控制指令，向用戶呈現(xiàn)智能家居設(shè)備的狀態(tài)信息等。手機端控制軟件可以基于主流的Android和iOS兩種平臺系統(tǒng)進行開發(fā)和實現(xiàn)[4]。電腦端的控制終端軟件可以采用Web化的形式，具備跨系統(tǒng)平臺等優(yōu)點。

手機和電腦控制終端軟件主要涉及本地管理控制和遠程管理控制兩個處理流程。在本地管理控制中，控制終端軟件直接與家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點進行連接通信，使用常用的以太網(wǎng)Socket消息通信；在遠程管理控制流程中，控制終端軟件首先需要連接遠程云服務(wù)系統(tǒng)軟件，將用戶控制命令通過云服務(wù)系統(tǒng)軟件轉(zhuǎn)發(fā)給指定的家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點，并且通過云服務(wù)系統(tǒng)軟件接收控制響應(yīng)消息，具體流程如圖3所示。

2.4 云服務(wù)系統(tǒng)軟件

云服務(wù)系統(tǒng)軟件主要用于解決智能家居設(shè)備的遠程智能控制和監(jiān)管。當用戶不能直接連接到家庭內(nèi)部子網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點時，需要通過遠程云服務(wù)系統(tǒng)軟件與網(wǎng)關(guān)節(jié)點建立通信連接，進而實現(xiàn)智能控制和狀態(tài)監(jiān)控。

云服務(wù)系統(tǒng)軟件處于公網(wǎng)之上，具備合法的公有IP地址，而家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點處于家庭內(nèi)部子網(wǎng)，僅有內(nèi)部私有IP地址，其與遠程云服務(wù)系統(tǒng)軟件的互聯(lián)涉及私網(wǎng)穿越技術(shù)。本系統(tǒng)使用常用的STUN/TURN私網(wǎng)穿越技術(shù)，實現(xiàn)家庭內(nèi)部的網(wǎng)關(guān)節(jié)點與外網(wǎng)云服務(wù)器之間的互通[5]。

3 結(jié) 語

目前，市場上智能家居類產(chǎn)品種類繁多，各大廠家都在踴躍進入。但嚴格來說，都只應(yīng)用了智能家居中的某項技術(shù)，距離真正意義上、無處不在的物聯(lián)網(wǎng)智能家居還有一段距離；尤其在智能應(yīng)用層融合方面，還需要多行業(yè)深度合作，才能提供一個全方位、高效、舒適的智能家居環(huán)境。另外，統(tǒng)一標準、智能家居安全機制等的缺失也是制約物聯(lián)網(wǎng)智能家居發(fā)展的瓶頸，需要更多技術(shù)人員研究，共同推動。

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