基于模塊化的智能家居系統設計

王榮　陳虹君

摘要：針對目前市場對智能家居需求的不斷增加，以及智能家居市場所面臨的造價高、標準不統一等現狀。介紹了模塊化設計在智能家居中的設計思路，以及利用模塊化設計解決上述的智能家居市場所面臨的現狀。采用無線通信技術作為智能家居之間的命令傳輸方式。探討了智能家居面臨的網絡安全問題的解決方案。以中央控制系統、安防、無線控制、網絡以及環境控制五大模塊為主體打造用戶可自主設計，可裁剪式的智能家居系統。

關鍵詞：模塊化設計;智能家居;無線通信;控制系統;網絡安全

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）01-0205-03

Abstract：In view of the increasing demand for smart home in the market， as well as the high cost and inconsistent standards faced by the smart home market. This paper introduces the design ideas of modular design in smart home， and the current situation of using modular design to solve the above-mentioned smart home market. Wireless communication technology is used as the command transmission mode between smart home. This paper discusses the solutions to the network security problems faced by smart home. The system can be controlled by the central control system.

Key words： modular design; smart home; wireless communication;control system; network security

1引言

智能家居可以極大地方便人們的生活以及提升居家體驗，自1984年美國出現第一棟“智能型”建筑以來，智能家居的各種設計方案以及技術便不斷發展并完善。但隨著行業規模的不斷增大以及智能家居應用越來越普遍，潛在的問題便不斷暴露出來，比如：行業標準并未統一;相對于傳統家居造價昂貴不能被大眾普遍應用;還有自網絡發展之初便面臨的網絡安全問題。

模塊化設計是實施大批量定制生產的關鍵技術。[4]該設計方案利用模塊化設計的可裁剪性，使得用戶得以根據自己的需求增加或刪減功能模塊，使系統更適合用戶的同時降低成本。用戶在外可通過網絡共享存儲模塊實時在便攜式網絡設備上了解家庭情況;居家時可享受環境控制模塊給用戶帶來的舒適體驗。

該設計方案還探討了智能家居面臨越來越復雜的網絡安全問題的解決方案，希望為解決網絡安全問題提供新的思路。

2模塊化設計

該設計將智能家居分為中央處理系統、安防模塊、無線通信模塊、網絡共享存儲模塊、居家環境控制模塊[1]，模塊化設計可以使智能家居的打造更簡單，在提高用戶體驗的同時更大程度的節約成本。整個系統分為幾大模塊，用戶可以根據自己的意愿和興趣愛好實現智能家居個性化設計。所有智能家具都可以更具用戶的需求進行搭配，在保證模塊化框架系統的完整性，將可以實現可裁剪式安裝。通過及時更換淘汰落伍的模塊將可以最大限度地在保障用戶體驗的前提下擁有最大的壽命。

中央處理系統（下文簡稱為“系統”）可看作是所有本公司智能家具（下文簡稱“智能家具”）的大腦，當有智能家居系統存在時。所有智能家具將不再獨立運算分析，而是將所有參數傳輸到系統中，由系統綜合各家具的運行情況做同一的指令操作。并且實時監控智能家具的使用情況和是否出現故障。如果出現故障則第一時間將故障情況發送到用戶手機中，再請求用戶是否維修。用戶對所有智能家具和系統的使用和操作權限高于操作系統，操作系統是服務于用戶的工具，在用戶不對各智能家具做出指令時由系統統一調配。

各個模塊有自己獨立的子系統（處理中心），采用分布式布局，中央系統控制子系統，子系統再控制各個模塊下所屬的智能家具，分級管理來應對各種系統故障。即使子系統出現故障，也不會引起智能家具的停用只會影響一些智能功能的用戶體驗。

2.1各模塊系統功能

2.1.1中央處理系統

中央處理系統是整個家居系統信息交互的中心，可以實現對各個功能模塊的管路的配置，可以實現對其他四個子模塊的信息采集、顯示和反饋給用戶。中央處理系統安裝有觸屏顯示設備、語語音控制系統，并且可以通過相應的App用網絡實現對各個功能模塊的信息獲取和控制，實現人機交互。還可通過機器學習算法學習用戶的生活習慣，進行自動開關窗簾，調節空調溫度等簡單操作。

2.1.2安防模塊

隨著人們生活基本需求的提升和信息科技的高速發展，居家安全目前越來越被重視。人們越來越關注自身和財產的安全;同時社會節奏越來越快，一旦出現安防問題，將打亂人們的生活節奏，因此防患于未然是重中之重。目前無線網絡發展越來越快，5G推廣使用，為遠程安防監控提供了足夠的技術支持。無線終端設備的普及，使得遠程訪問更加便利，可以實時查看家中的閉路視頻、可視對講設備;各種物聯網傳感器如紅外傳感器、煙霧報警器、門磁傳感器也可通過藍牙、Wi-Fi、ZigBee等無線傳輸網絡實時向系統匯報監測情況[2]。

2.1.3無線通信模塊

無線遙控在生活中有廣泛的應用，并且功能已經可以滿足大多數生活的需要，并且成本較低。但是如果全部的家電都用無線遙控來控制的話，使用過程中十分容易混淆，導致命令傳輸出錯。而有線傳輸網絡通用性不強、布線復雜而且容易被破壞而引起系統故障，不太符合智能家居的人性化原則。[7]因此無線通信模塊可在各個智能模塊之間搭建無線傳輸網絡，如使用IEEE802.15協議工作，在全球通用的2.4GHz ISM頻段的藍牙;建立于IEEE802.15.4協議之上， 傳輸速度較藍牙速度慢， 但成本與藍牙相比較小的ZigBee網絡;創建于IEEE 802.11標準的WI-FI技術等。[6]降低屋內各智能家居交互的成本提高傳輸效率，還可以通過無線網絡聯通用戶的無線終端設備，使得用戶可以遠程控制，提高居家的便捷性和舒適性。

2.1.4網絡共享存儲模塊

隨著智能家居運行時間的增加，所帶來的數據增長也是一個不容忽視的問題，還要對數據進行存儲和備份，以及支持無線查看，并且居家網絡共享模塊顯然不能安裝專業的網絡服務器，那成本將大大增加。網絡共享儲存模塊NAS 能夠支持多種協議（如NFS、CIFS、FTP、HTTP等），而且能夠支持各種操作系統，可提供跨平臺文件共享功能[2]。家庭網絡存儲NAS集中儲存多媒體數據，用戶通過智能手機、網絡播放器、計算機等媒體播放設備，實現對家庭多媒體的訪問。[3]并且可以遠程操控家居，比如提前打開空調，提前在浴缸中放滿熱水等。

2.1.5居家環境控制模塊

目前大城市的環境空氣質量隨著經濟的發展不斷降低，家作為一個日常生活起居的地方，保證健康舒適的居家環境是必不可少的。居家環境控制模塊可以通過WIFI 無線開關來實現電路的閉合和斷開，來實現空氣凈化器，空調，門窗的遠程和智能控制。還可以實現對盆栽的自動澆灌和寵物的自動喂養等[2]。

3遭遇網絡攻擊解決方案

智能家居目前發展遇到的一大瓶頸就是網絡安全性難以保障。如果家中智能家居被人為惡意操控，將帶來十分可怕的結果。該設計提出以下解決方案：

操作系統與家中所有電腦等具有獨立運算的設備獨立，自主運算以及控制所有智能家具，以保護系統的安全。系統對于連接的便攜式網絡設備采用MAC地址認證。[5]系統的防火墻24小時向公安網絡安全部門反饋安全狀況，防火墻所傳輸的信息只包含系統的網絡安全信息，不會侵犯任何用戶的隱私信息。當系統檢測到防火墻遭到攻擊時將立即啟用備份于云服務器中的云殺毒軟件，通過網絡傳輸到系統中。在防火墻檢測到云殺毒軟件暫時無法抵御本次網絡攻擊時，將立即斷開系統多所有智能家具的控制并且將操作權限全權移交給用戶，并且提示用戶系統遭到攻擊請立即報警。

在系統正常運行的情況下，所有智能家具不再連接網絡，以保證不受網絡攻擊。當無系統狀態下，家具通過WI-FI連接至用戶手機，以用戶手機控制完成智能運行。未連接到用戶手機時，將以普通家具的形式完成基本功能。在系統遭受攻擊并且癱瘓斷開所有對智能家具控制時，不接受電子指令，只接受按鍵指令。并且在有條件情況下進行身份驗證。

當系統遭到網絡攻擊癱瘓但又后期被云殺毒軟件清理病毒后，將進行系統自檢，檢查其功能是否遭到病毒的破壞，若自檢系統無法運行，將直接匯報系統損壞。若自檢沒有出現問題，則用過網絡密鑰認證智能家具并且對各智能家具進行檢測，檢測無誤后開始重新運行。

若自檢出現問題則請求重裝系統，或請求用戶預約工程師上門檢測，最大程度上保護用戶的安全。

4結語

本文設計的模塊化智能家居系統針對現有智能家居的一些不足做出了一些改進，用戶可根據自身喜好裁剪智能家居模塊以達到降低成本的目的，以及方便用戶對于智能家居控制的體驗，對于延長智能家居的使用壽命有一定的作用。并且對于網絡安全問題提出了新的解決方案，對實際應用提供了新的部署思路。但該設計對室內智能家居無線通信技術的選擇以及各技術在實際應用中具體情況上缺少相關的實驗數據，將在未來的實驗中加以補充。

模塊化設計智能家居系統其獨特的可裁剪性將會成為未來智能家居系統設計的一大趨勢，在下一步研究中將加入云計算為中央處理系統增加算力，有強大的算力支持，該設計將對智能家居的發展產生強大的推動作用。

參考文獻：

[1]徐志煜，吳華鋒.智能家具模塊化設計分析[J].計算機產品與流通，2019（12）：128.

[2] 劉勇.智能家居的模塊化設計探析[J].電腦與電信，2017（9）：46-48.

[3] 郝佳琦，胡云生，謝雅麗.基于模塊化的智能擴展云監控系統[J].電子技術與軟件工程，2018（9）：242-243.

[4]高飛，肖剛，潘雙夏，陳久軍，張元鳴.產品功能模塊劃分方法[J].機械工程學報，2007（5）：29-35.

[5] 楊海川.基于物聯網的智能家居安防系統設計與實現[D].上海：上海交通大學，2013.

[6] 程家豪.物聯網中無線通信技術應用分析[J].物聯網技術，2020，10（8）：94-97.

[7] 張敏潔.短距離無線通信技術在智能家居中的應用探究[J].信息與電腦，2020，32（8）：156-158.

【通聯編輯：梁書】