智能家居管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李長(zhǎng)明

摘要：我國(guó)已經(jīng)快速進(jìn)行信息化社會(huì)，現(xiàn)代信息智能技術(shù)徹底改變了當(dāng)前人們的工作和生活的方式，這些技術(shù)不但使得生活越來(lái)越方便，而且其影響也越來(lái)越深入。以信息化為基礎(chǔ)的智能家居設(shè)計(jì)，就是非常典型的代表，通過(guò)計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持，智能家居得以成為現(xiàn)實(shí)，并開(kāi)啟了一個(gè)更為廣大的發(fā)展空間。對(duì)于智能家居而言，其核心在于家居管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這套系統(tǒng)可以提供全面的功能和管理服務(wù)，是生產(chǎn)廠家重點(diǎn)研發(fā)的內(nèi)容，也是家居的智能基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：智能家居 管理系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-5349（2018）19-0254-02

智能家居是長(zhǎng)久以來(lái)很多人的理想生活方式，在現(xiàn)代信息技術(shù)的支持下，終于成為現(xiàn)實(shí)。對(duì)于智能家居的功能實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)，最核心的部分包括兩個(gè)方面：一是智能控制，二是信息傳輸。因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)及其硬件設(shè)施建設(shè)，信息的傳輸不存在任何問(wèn)題，而關(guān)鍵還在于怎樣將信息轉(zhuǎn)化為智能設(shè)備的控制信號(hào)，形成智能化的操作過(guò)程。對(duì)于智能家居系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其功能的核心就是一套以計(jì)算機(jī)為中心平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是最為關(guān)鍵的技術(shù)基礎(chǔ)。

一、智能家居系統(tǒng)概述

就目前的發(fā)展情況來(lái)看，智能家居系統(tǒng)充分利用了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊、綜合布線、醫(yī)療電子等相關(guān)技術(shù)，根據(jù)人體工程學(xué)等基本原理，并充分考慮到個(gè)性化的各種需求，將人們家庭生活中的各相關(guān)功能進(jìn)行智能化控制，包括安防、燈和窗簾的控制、煤氣閥、家電、地板采暖、衛(wèi)生等工作，有機(jī)結(jié)合，利用網(wǎng)絡(luò)化方式，綜合進(jìn)行智能化的控制及管理，滿足更加以人為本的生活感受。

通常情況下，設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)大致包含了8個(gè)主要的子系統(tǒng)，分別為：控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)、家居布線系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、背景音樂(lè)系統(tǒng)、家庭影院與多媒體系統(tǒng)、家庭環(huán)境控制系統(tǒng)。這8個(gè)分系統(tǒng)各有分工，完成各自的工作。這其中，控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)是最主要的分系統(tǒng)，屬于必備系統(tǒng)，而其他的系統(tǒng)則可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)安裝，是可選的系統(tǒng)。

為確保智能家居可有效應(yīng)用，智能家居系統(tǒng)必須具備四個(gè)典型的功能特點(diǎn)：一是可靠性：整個(gè)智能系統(tǒng)的所有子系統(tǒng)都可以滿足二十四小時(shí)不間斷運(yùn)轉(zhuǎn)，尤其系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、安全性以及其容錯(cuò)能力要有較高的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，確保系統(tǒng)使用的質(zhì)量和性能，并具備一定可應(yīng)付不同復(fù)雜環(huán)境運(yùn)行的基本能力。二是標(biāo)準(zhǔn)性：對(duì)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要根據(jù)國(guó)家相關(guān)生產(chǎn)研制標(biāo)準(zhǔn)，在硬件和軟件兩個(gè)方面系統(tǒng)都有比較強(qiáng)大的可擴(kuò)充性。在數(shù)據(jù)傳輸上需要采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以確保系統(tǒng)的兼容和互聯(lián)能力。三是方便性：考慮到安裝和使用成本，系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須具備可擴(kuò)展性和可維護(hù)性，布線簡(jiǎn)單，施工方便，遠(yuǎn)程管理維護(hù)容易，設(shè)備易掌握，操作維護(hù)都足夠簡(jiǎn)便。四是數(shù)據(jù)安全性：當(dāng)越來(lái)越多的數(shù)字設(shè)備被接入智能家居系統(tǒng)，會(huì)形成更多應(yīng)用數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不但對(duì)于正常的系統(tǒng)使用有關(guān)鍵作用，還包含了大量關(guān)系到個(gè)人家庭隱私的內(nèi)容，如果這些數(shù)據(jù)因?yàn)椴簧鞅桓`，將可能造成很大的安全問(wèn)題。

二、智能家居管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作流程。按照功能實(shí)現(xiàn)的機(jī)理分析，智能家居系統(tǒng)包括四個(gè)比較主要的功能系統(tǒng)，這四個(gè)部分分別是：系統(tǒng)主機(jī)、系統(tǒng)分機(jī)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、通信接口。系統(tǒng)主機(jī)利用服務(wù)器接入Internet，并通過(guò)數(shù)據(jù)交換網(wǎng)接口電路接入PSTN。整個(gè)結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)主機(jī)與系統(tǒng)分機(jī)都利用無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建起星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而系統(tǒng)主機(jī)主要利用本地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)與實(shí)際的系統(tǒng)分機(jī)完成命令傳輸和信息傳遞等功能。當(dāng)該系統(tǒng)處于正常的運(yùn)行狀態(tài)下，用戶能夠借助Internet以及PSTN這兩種通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)控制管理系統(tǒng)實(shí)施訪問(wèn)。包括手機(jī)等移動(dòng)通信工具，都可以通過(guò)安裝客戶端軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作和管理智能家居系統(tǒng)，其操作非常便捷和人性化。

（2）智能家居系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。智能家居的設(shè)計(jì)目的就是要最大化實(shí)現(xiàn)家居生活的便捷舒適，為此需要設(shè)計(jì)用戶體驗(yàn)感覺(jué)良好的操作界面設(shè)計(jì)，這個(gè)操作界面包括計(jì)算機(jī)用戶端對(duì)所有智能家電參數(shù)的具體設(shè)置，還要體現(xiàn)出其他一些移動(dòng)控制的便捷性，既滿足手機(jī)系統(tǒng)對(duì)家電的控制系統(tǒng)的需求，又滿足手機(jī)操作系統(tǒng)的基本兼容客戶端程序應(yīng)用設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)表現(xiàn)為兩個(gè)線程：網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的NetStream程序以及本地處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)應(yīng)用程序。

本地處理應(yīng)用按照任務(wù)可以分為兩個(gè)部分：一是用戶進(jìn)行操作時(shí)的響應(yīng)程序，包括各種數(shù)據(jù)信息的處理。這些用戶控制管理的響應(yīng)主要用來(lái)采集上位機(jī)軟件收集到的按鍵、命令輸入等相關(guān)數(shù)據(jù)，將采集的這些數(shù)據(jù)完成各種運(yùn)算及相應(yīng)處理，對(duì)實(shí)際得到結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)加密并按要求編碼，將其上傳到網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)利用網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到用于接收功能的下位機(jī)。以智能監(jiān)控為例，對(duì)于數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)而言，這是整個(gè)智能家居各種監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)的具體載體，上位機(jī)軟件的定時(shí)器會(huì)形成定時(shí)間周期的溢出中斷，利用TCP直接接入系統(tǒng)路由器，當(dāng)賬號(hào)、密碼經(jīng)（下轉(zhuǎn)第253頁(yè)）（上接第254頁(yè)）過(guò)驗(yàn)證確認(rèn)無(wú)誤后，可以得到攝像頭的JPEG圖像，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理，能夠?qū)D像信息進(jìn)一步處理并顯示到上位機(jī)的監(jiān)控界面。

為滿足對(duì)整個(gè)智能家電系統(tǒng)的綜合控制，必須確保各家電的充分聯(lián)網(wǎng)。智能家居系統(tǒng)的下位機(jī)其構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)主要含有CAN總線、無(wú)線射頻網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線視距紅外網(wǎng)絡(luò)。這三種網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)運(yùn)用，確保智能家居網(wǎng)絡(luò)的順暢性和可靠性，在進(jìn)行連接時(shí)非常方便快捷，兼容性和適用性都很強(qiáng)，在當(dāng)前信息建設(shè)的大力推動(dòng)下，這種三網(wǎng)并用的實(shí)現(xiàn)難度不大，其使用成本也得到有效的控制。

下位機(jī)客戶端的應(yīng)用軟件最重要的功能，是要接收上位機(jī)傳輸過(guò)來(lái)的已經(jīng)進(jìn)行加密處理的數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解密處理。這些數(shù)據(jù)被充分解密后，其形式是附帶各種功能說(shuō)明以及對(duì)應(yīng)參數(shù)設(shè)置的字符數(shù)據(jù)串，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為便于這些軟件程序的高效編寫(xiě)，要把這些字符數(shù)據(jù)串中的各種參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并儲(chǔ)存在系統(tǒng)的內(nèi)存中。智能家居系統(tǒng)的上、下位機(jī)間完成通信功能，需要采用相同的通信協(xié)議，這些協(xié)議需要針對(duì)性地做好各細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。其中，字符數(shù)據(jù)串的頭部會(huì)附帶長(zhǎng)度無(wú)法預(yù)知的各種命令節(jié)，當(dāng)調(diào)用函數(shù)時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)包參數(shù)的位置進(jìn)行判定，從而得到更加正確的參數(shù)位置。

在智能家居的下位機(jī)中，其主控芯片上要運(yùn)行操作系統(tǒng)，通常情況下，μC/OS實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)是比較常用的選擇。該系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)施可剝奪型多任務(wù)實(shí)時(shí)運(yùn)行內(nèi)核，這就意味著該系統(tǒng)的處理器可以隨時(shí)運(yùn)行有最高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)，這有助于實(shí)現(xiàn)下位機(jī)完成各種任務(wù)的執(zhí)行順序處理，同時(shí)也能夠有效保證該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)穩(wěn)定性。當(dāng)芯片主控啟動(dòng)操作系統(tǒng)，就可以建立起不同的任務(wù)功能，完成相應(yīng)的功能設(shè)計(jì)。而串口任務(wù)是要接受來(lái)自上位機(jī)的數(shù)據(jù)和命令信息，確保準(zhǔn)確無(wú)誤，之后進(jìn)行解碼解密等工作。各個(gè)分系統(tǒng)通過(guò)不同渠道獲得操作命令，完成相應(yīng)的功能，使得智能家居系統(tǒng)的功能可以得到根本保障。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，到目前智能家居已經(jīng)不再停留在概念的層面上，在具體應(yīng)用中得到了很大程度的采用，并為未來(lái)家居發(fā)展奠定基礎(chǔ)，指明了方向。對(duì)于智能家居設(shè)計(jì)，其核心在于以計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的數(shù)字信息處理系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的深化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)各種智能功能。在設(shè)計(jì)中，要結(jié)合實(shí)際的用途需求和環(huán)境條件，考慮成本等各種因素的影響，不但完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)功能，還要具備一定的穩(wěn)定性、實(shí)用性和高性價(jià)比，這樣才有商業(yè)研發(fā)的價(jià)值。

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責(zé)任編輯：劉健