基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

張麗瑤

摘 要：隨著科技的不斷發(fā)展，智能生活已緩緩走進大眾視野。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)以個人居家室內(nèi)環(huán)境智能化建設(shè)為開發(fā)原型，通過合理的強弱電布線、高速信息傳輸技術(shù)、人工智能技術(shù)、安全防范技術(shù)、多媒體技術(shù)的支持，進行遠程開鎖、情景控制、隱患防護、語音交互等功能的實現(xiàn)。集合日常生活中人們經(jīng)常使用的家庭設(shè)施，構(gòu)建一套可以高效管理多種家居設(shè)施自動化處理和響應(yīng)人們?nèi)粘Ｊ聞?wù)的智能化體系結(jié)構(gòu)，使人們的家居體驗更加安全、便利、舒適，使節(jié)能環(huán)保的理念也在智能家居中得以體現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);智能家居系統(tǒng)

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）02-062-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.02.027

1 智能家居系統(tǒng)的組成

主流的智能家居系統(tǒng)通常由以下幾個子系統(tǒng)組成：中央集成控制系統(tǒng)、室內(nèi)照明控制系統(tǒng)、電機控制系統(tǒng)、家用電器管理系統(tǒng)、室內(nèi)環(huán)境清潔度檢測系統(tǒng)以及安全防護保障系統(tǒng)[1]。

1.1 中央集成控制系統(tǒng)

智能家居系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)，通過家居中安裝的無線傳感器和無線聯(lián)動設(shè)備對家居設(shè)施的工作狀態(tài)等信息進行收集，并將收集到的信息傳輸給中央集成控制系統(tǒng)進行處理。因此，中央集成控制系統(tǒng)是智能家居的總控制器，在智能家居系統(tǒng)中占有重要地位。

1.2 室內(nèi)照明控制系統(tǒng)

基于Zigbee的照明燈具控制器，可將室內(nèi)若干照明燈具的開關(guān)集成到一個總開關(guān)中，房屋主人可以在室內(nèi)任意位置隨心所欲地打開客廳、臥室、廚房等室內(nèi)任意區(qū)域安裝的室內(nèi)照明燈具，無需再到開關(guān)的固定位置反復(fù)打開、關(guān)閉燈具開關(guān)。除此之外，還可根據(jù)室內(nèi)情景對燈具的光線強弱度進行調(diào)解，適應(yīng)人們居家時在不同工作學習場景或是娛樂場景對于光線亮度的需求。

1.3 電機控制系統(tǒng)

電機是一些家用設(shè)施的重要動力裝置，如自動窗簾的升降依靠電機來驅(qū)動自動窗簾中的卷軸進行卷起或展開操作，諸如此類的電機驅(qū)動設(shè)施還有很多。電機控制系統(tǒng)就是將事先裝有Zigbee節(jié)點的電機產(chǎn)品集成到一個系統(tǒng)中，根據(jù)收集到各個電機設(shè)備的狀態(tài)，智能控制電機設(shè)施的使用。

1.4 家用電器管理系統(tǒng)

伴隨著人們對生活品質(zhì)要求的提升，各種替代家務(wù)勞動的家用電器蜂擁進入到人們家中，家用電器的數(shù)量可謂是一增再增，眾多家用電器的統(tǒng)一管理成為人們需要面對和解決的問題。家用電器管理系統(tǒng)通過對安裝Zigbee節(jié)點的家用電器進行聯(lián)網(wǎng)管理，既可以向房屋主人隨時顯示家用電器的工作狀態(tài)，也可為房屋主人提供預(yù)先服務(wù)。比如室內(nèi)溫度較高時，空調(diào)會自動打開進行降溫處理，家中熱水器會根據(jù)房屋主人的作息習慣把水加熱等。

1.5 室內(nèi)環(huán)境清潔度檢測系統(tǒng)

影響室內(nèi)清潔度的因素眾多，如室內(nèi)溫度、濕度、光強、可燃氣體濃度、煙霧濃度、灰塵等都會對室內(nèi)清潔度產(chǎn)生影響。基于ZigBee無線通信技術(shù)設(shè)計的室內(nèi)環(huán)境清潔度檢測系統(tǒng)，能夠?qū)κ覂?nèi)清潔度實施24h監(jiān)測，并且可以隨時將監(jiān)測到的室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿佣薃pp或PC端，在環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)超出報警臨界點時自動向房屋主人進行預(yù)警，用戶通過手機遠程即可實現(xiàn)對家中環(huán)境的掌握。

1.6 安全防護保障系統(tǒng)

居家安全問題是人們普遍關(guān)心的問題，尤其是目前時有發(fā)生的室內(nèi)火災(zāi)、天然氣泄露、管道漏水等安全問題，時常為人們敲響警鐘。智能家居系統(tǒng)中的安全防護保障系統(tǒng)，通常由探測器、數(shù)據(jù)傳輸和報警控制器三部分構(gòu)成。報警探測器是由傳感器和信號處理組成的，傳感器作為報警探測器的核心元件，主要用于對危險源信息進行采集并傳輸給報警控制器進行處理。根據(jù)傳感器類型的不同，可以構(gòu)成不同種類、不同用途、達到不同探測目的的報警探測裝置。

2 智能家居系統(tǒng)工作模式

智能家居系統(tǒng)通過構(gòu)建Wired mode、Wireless Mode、Mixed mode三種結(jié)構(gòu)，來滿足不同用戶對智能家居的不同需求。三種模式不同的特點，決定了適用的應(yīng)用場合也不同。Wired mode適合易于布線、傳感/執(zhí)行器數(shù)據(jù)量大的場合，其特點在于使用高可靠的TCP/IP協(xié)議，通過以太網(wǎng)將所有傳感器連接起來。Wireless Mode適合難以布線、傳感/執(zhí)行器數(shù)據(jù)量小的場合，其特點在于布設(shè)簡易，一般使用無線Zigbeet協(xié)議將所有傳感器連接起來。Mixed mode中和了以上兩種模式的優(yōu)缺點，在實現(xiàn)方便布設(shè)的同時，也考慮到了數(shù)據(jù)可靠性傳輸?shù)囊螅浅＿m合布線難易度和傳感/執(zhí)行器數(shù)據(jù)量差別巨大的場合[2]。

使用Wired mode的智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次，包括用戶操作層、中間件層、傳感/執(zhí)行層。使用Wireless Mode和Mixed mode的智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層次，除了以上三個層次外，還多了一個無線網(wǎng)關(guān)層。在用戶操作層，用戶可通過智能手機（Android系統(tǒng)）、PAD兩種方式，手工/自動實現(xiàn)對系統(tǒng)的觀察、控制和配置。中間件層針對用戶操作層用戶做出的各種操作，將其轉(zhuǎn)化為格式化的命令。這些格式化的命令，將根據(jù)所處的模式不同而進行后續(xù)的處理操作，具體如下：

在Wired mode下，這些格式化的命令將直接傳輸給傳感/執(zhí)行層，傳感/執(zhí)行層的傳感/執(zhí)行器將進行相應(yīng)的動作。

在Wireless Mode下，這些格式化的命令先到達無線網(wǎng)關(guān)層，通過無線網(wǎng)關(guān)層基于無線zigbee協(xié)議的無線網(wǎng)關(guān)，將命令進一步下發(fā)給傳感/執(zhí)行層。

在Mixed mode下，根據(jù)命令需要到達的目的地的不同，進行區(qū)別處理。先到達無線網(wǎng)關(guān)層，再通過無線網(wǎng)關(guān)層基于無線zigbee協(xié)議的無線網(wǎng)關(guān)，將命令進一步下發(fā)給傳感/執(zhí)行層對應(yīng)的無線設(shè)備目標;目標為有線設(shè)備時，命令將直接傳輸給傳感/執(zhí)行層，傳感/執(zhí)行層的傳感/執(zhí)行器將進行相應(yīng)動作。

3 智能家居系統(tǒng)的特點

現(xiàn)代化的智能家居，可幫助用戶輕輕松松實現(xiàn)家居生活智能化。不僅可以提供基礎(chǔ)的智能設(shè)施，還可以根據(jù)客戶自身需求進行私人定制，打造個性智能家居。智能家居系統(tǒng)在家庭中的應(yīng)用，使得家庭生活更加安全、節(jié)能、智能、環(huán)保、便利和舒適。智能家居系統(tǒng)具有以下特點：

Web方式的遠程維護：支持Web方式的遠程維護，只要有互聯(lián)網(wǎng)IE，就可實現(xiàn)對系統(tǒng)的訪問和控制。

高度的可擴展性：支持數(shù)千個傳感器/執(zhí)行器鏈接的網(wǎng)絡(luò)IP尋址方法。

高度的布線靈活性：在網(wǎng)關(guān)層和傳感/執(zhí)行層間，可選擇有線或無線兩種方式，布線靈活。

開放的傳輸層標準：基于TCP/IP協(xié)議多采用有線模式，基于Zigbee協(xié)議多采用無線模式，支持開放互聯(lián)。

全方位的家居傳感/執(zhí)行器：分為宜居生活類（萬能紅外遙控器、智能電表、智能窗簾、彩燈等）、家居安全類（煙霧報警、燃氣報警、RFID門控等）、家庭防盜類（對射、玻璃震動、攝像監(jiān)控等）三大類傳感/執(zhí)行器。

4 智能家居系統(tǒng)的優(yōu)勢

伴隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，受到人們廣泛青睞的移動終端以及無線信息傳輸技術(shù)得到了普及和應(yīng)用，這使得智能家居控制終端更便于隨身攜帶，使得智能家居從此無需專用遙控器或終端控制器。對相關(guān)家居設(shè)施和家用電器的管理和控制，通過固定編程或個性化編程，全部設(shè)置安裝在手機或平板電腦上，用戶只需手指輕輕滑動，便可一鍵完成。

智能家居系統(tǒng)可以根據(jù)個人習慣和實際需要，自行定義、個性定制場景控制，進行多種日常家居生活或個人學習模式的設(shè)置：早起模式、外出模式、返回模式、休息模式，還有調(diào)光模式、溫控模式、餐飲模式、娛樂模式、車庫模式、實時監(jiān)控模式、辦公模式、會議模式、下班模式、安保布防和撤防模式等。這使得人們的日常生活變得更加輕松和高效[3]。

智能家居系統(tǒng)采用zigbee無線技術(shù)，把所有的設(shè)備通過傳感器等與互聯(lián)網(wǎng)相連接，實現(xiàn)家庭小網(wǎng)與社會大網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，提高了家庭生活品質(zhì)，提供了安全、便捷、愉悅、舒心的生活服務(wù)。與普通家居相比，智能家居系統(tǒng)有以下四大優(yōu)勢：

自動化：根據(jù)場景變化及用戶的個性化要求，設(shè)置符合用戶需求的舒適便捷的智能化家具系統(tǒng)。

信息化：依托有線、無線高速網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息與外界的交互，使得家庭與外界的信息交流暢通無阻。

人性化：強調(diào)人的主觀能動性，重視人與居住環(huán)境的協(xié)調(diào)，使用戶能隨心所欲地控制室內(nèi)居住環(huán)境。

節(jié)能化：家用電器的通電待機模式被徹底拋棄，真正實現(xiàn)人走電斷的節(jié)能模式。

5 結(jié)語

與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，提供舒適安全、高品位且宜人的家庭生活空間;還由原來的被動靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓ぞ撸峁┤轿坏男畔⒔粨Q功能，使得家庭與外部的信息交流暢通無阻。通過合理規(guī)劃人們處理日常生活事務(wù)的時間排序，優(yōu)化人們的生活方式，安全保障系統(tǒng)進一步增強了家居生活的安全性，真正實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的家居生活。

家居設(shè)施的智能化是智能家居的主體所在，實現(xiàn)家電、照明等電氣設(shè)備的智能化是智能家居系統(tǒng)的功能要求。智能化系統(tǒng)采用集中或者分布式控制，用戶通過移動終端設(shè)備，可以隨時隨地對家庭內(nèi)的電器及其他設(shè)備進行遠程控制，家居智能化系統(tǒng)是智能家居的主要發(fā)展方向。伴隨著人們物質(zhì)生活水平的提高，人們對家居生活舒適度及便捷性的需求越來越高，家庭內(nèi)部環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境等需求也越來越高，人們用在這方面的消費支出也將越來越高，未來的智能化家居也會更多地滿足人們這些方面的需求。

參考文獻

[1] 李源，成友才，田申.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].通信與信息技術(shù)，2019（1）：32-34.

[2] 邱宏斌.一種基于ESP8266模塊的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計思路[J].電子世界，2017（7）：25-27.

[3] 張力.基于ZigBee無線通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].數(shù)碼世界，2019（11）：12-14.