基于物聯網的智能家居控制系統設計與實現

呂曉梅

（茂名職業技術學院，廣東 茂名 525000）

1 智能家居的概念

廣義上的智能家居就是通過物聯網技術實現連接的家居設備系統。隨著當前社會城鎮化、智能化、數據化的不斷發展，智能家居將成為家居生活的重點發展方向，也將在一定程度上改變人們的生活習慣和方式。目前階段，國外比較流行的智能家居品牌有亞馬遜Alexa、蘋果HomeKit、Control4、三星SmartThings；國內比較流行的智能家居品牌有小米智能家居、華為智能家居、海爾智能家居、美的智能家居、紫光物聯、揚子智能家居、智飛智能家居等。

衡量一個智能家居系統是否成功，并不單純在于智能化系統的先進性、應用數量以及集成程度，更取決于整體家居控制系統的設計與配置是否能正常運行且經濟合理。因此，在進行物聯網智能家居控制系統設計的過程中，不僅要充分了解用戶對智能家居的功能需求，還要依照國家和地方相關標準進行系統設計與功能拓展[1]。

2 整體方案

本方案以相對經濟實用的Arduino UNO 開發板為主控制器；借助多類型傳感器實現對家居環境相關數據信息的采集；以顯示器、舵機、繼電器等為執行單位，實現門禁、窗簾、燈光、家電等設備控制；借助ESP8266 Wi-Fi 模塊和巴法云物聯網平臺實現數據傳遞和交互；用戶借助手機App 直接就能遠程控制智能家居。

借助多種傳感技術和物聯網平臺，智能家居控制系統可以智能實現家居環境中關于溫度、濕度、光照、煙霧、人體紅外線等數據信息的采集，結合數據分析和智能“語言”控制燈光、舵機以及繼電器設備，實現自動開鎖、自動解除門禁；智能窗簾、智能晾衣架、智能空調、電視、熱水器、燈光、溫濕度自動顯示、煙霧報警等能滿足用戶的實際需求。手機聯網之后，借助巴法云物聯網云服務器實現數據同步，遠程操作即可實現。要達到一種狀態：用戶通過遠程控制提前對家居設備實現操作，到達門口，門禁通過射頻識別已打開，進入房間，智能空調已經將室內溫濕度調整到最佳狀態，燈光柔和，室內煙霧觸達一定標準，報警器自動報警，提示用戶，及時消除安全隱患。智能家居控制系統的總設計方案如圖1 所示，整體智能家居控制系統方案要靠硬件和軟件系統實現[2]。

圖1 智能家居控制系統總設計方案

3 硬件系統設計與實現

方案中的硬件系統包含環境檢測與顯示版塊、智能門禁版塊、智能燈光版塊、智能家電版塊、智能窗簾版塊、煙霧檢測與報警版塊、無線控制版塊等。

3.1 通信功能設計

通信是通過各節點與網關實現聯系，使用ZigBee實現。一定程度上，通信功能是智能家居控制系統最重點的功能之一。通信的穩定性直接關系智能家居系統遠程自動控制能否正常實現。應用ZigBee 技術最大的優點是對外界環境的抗干擾能力非常強。同時，ZigBee 技術還能最大程度實現數據傳輸和存儲，既能有效避免數據丟失，保證數據傳輸完整性，又能以最快速度實現數據傳輸，保證數據時效。

3.2 采集功能設計

（1）信息檢測與顯示。借助DHT11 溫濕度轉換器和發光二極管（Light Emitting Diode，LED）顯示屏實現，其中溫濕度轉換器進行家居環境信息數據的采集和傳輸，借助集成芯片實現顯示屏的實時控制。

（2）智能窗簾。利用光感電阻傳感器和舵機采集光照信息，當光照信息到達提前設定好的闕值，舵機自動操作，實現窗簾的智能控制。

（3）智能燈光。使用HC-SR505 人體紅外線傳感器和光敏電阻傳感器采集光線信息，結合提前設置好的闕值對光線強弱進行智能判斷，自動控制燈光開關。

（4）智能家電。主要借助的硬件設備是繼電器、LED 顯示屏和DS1302 時鐘。將手機App 的時間與DS1302 時鐘進行時間校準，用戶在手機App 中對家電的使用時間、使用時長進行提前設定，當具體家電到達啟用時間，自動啟用，到達使用時長自動關閉。例如，用戶在手機上直接就可以設定18:00 開啟室內空調，溫度選擇26 ℃，開啟時間為3 h，到家之后直接可以享受適宜的室內溫度[3]。

（5）煙霧檢測與報警。煙霧檢測使用的是MQ-2 煙霧傳感器，自動收集煙霧信息，測試室內煙霧含量。當室內煙霧含量到達或超過標準闕值，自動觸發報警系統報警。物聯網和云平臺又可以將相關信息實時傳輸給用戶，讓用戶及時了解家居環境的煙霧情況，及時進行處理。

（6）智能門禁。借助MF RC522 射頻識別功能和180°舵機硬件。射頻技術可以讀取IC 密匙，自動判斷所使用的IC 卡是不是正確的IC 卡，識別正確，電機自動操作，門禁打開；識別錯誤，門禁無反應。

（7）無線控制。主要指手機App 與物聯網平臺之間的連接。利用Wi-Fi 和物聯網智能平臺，手機所發出的各種指令在物聯網協議作用下自動實現控制操作。Arduino 開發板在接收到相應數據后，可以對邏輯結果實現自動判斷，指揮相應版塊進行操作。

4 軟件系統設計與實現

軟件系統主要是用戶通過手機App 進行遠程自動控制。軟件功能主要是動態檢測、異常警報。設計人員要結合用戶需求、整體智能家居控制系統設計方案以及硬件設計方案進行合理設計。首先，用戶通過手機終端能正常向系統中心處理器發出控制指令；其次，處理器能準確、快速實現信息接收和解析，并將當前狀態下家居設備的運行環境和狀態信息及時傳輸給用戶；最后，當家居設備狀態異常或者發生變化時，家居設備又能實時向中心處理器反饋信息，并自動啟動預警預案，實現準確定位，自動化處理，相關數據同步用戶智能終端。

4.1 自動控制的實現

開發主板借助多種類型傳感器，采集和處理人體紅外線信息、光照信息、溫濕度信息、門禁操作信息，通過物聯網協議形成自動邏輯判斷，智能操控門禁、燈光、家電、窗簾，又能自動控制LED 顯示屏進行相關數據顯示[4]。

4.2 遠程控制實現

借助Wi-Fi，用戶手機軟件可以連接家庭網絡，借助網絡協議自動啟動物聯網云平臺系統。Wi-Fi 端口與Arduino UNO 開發板數據端口進行連接，溫濕傳感器所采集和處理的溫濕信息數據自動共享物聯網云平臺，煙霧傳感器所采集和檢測到的煙霧含量數據自動共享物聯網云平臺，以此類推，用戶借助手機終端就可以實時了解家居環境中各項設備所采集的數據，并結合自身需求對相關設備在手機終端發出控制指令，相關指令又通過物聯網平臺和網絡協議傳輸給Arduino UNO 開發板，開發板按照接收到的指令要求控制相對應家電、門禁、窗簾、燈光等。智能家居軟件控制系統的傳輸流程如圖2 所示。

圖2 智能家居軟件控制系統的傳輸流程

4.3 手機App 的設計與開發

遠程自動控制手機移動終端App 軟件的開發，版塊分配清晰且簡單易操作。本智能家居系統會有2個設計頁面：第一頁面，手機用戶能直觀看到的頁面，提供官方功能實現組件，提供預實現設計功能，能滿足用戶的基本需求，也能根據用戶需要實現組件頁面的定制、美化和調整；第二頁面，邏輯頁面，進行功能組件邏輯程序編輯，助力實現手機App各軟件功能。智能家居控制系統如圖3 所示。

圖3 智能家居控制系統

該App 軟件包含智能網關、溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、可燃性氣體傳感器、光敏傳感器、電動窗簾控制、智能門禁系統、空調、云攝像頭、智能電燈、智能高清電視機等。用戶既可以在手機App中實現對各種智能家居設備的遠程操控，還能直接在手機App 商城找到自己所需要的家居用品，并實現購買。軟件本身也提供遠程控制教程以及一些智能場景模擬等功能，更方便用戶入門和使用。

5 基于物聯網的智能家居發展趨勢

5.1 環境控制與安全規范

現階段，智能家居系統的研究還處在不斷完善和發展的階段。智能家居系統體現在標準化和個性化方面的種種不足也將成為未來智能家居系統“補短”的重點方向。標準化和安全化的理念未來也將貫穿智能家居控制系統設計的始終[5]。例如，在溫濕度調控、安全防范、影音遠程控制等方面，會更進一步實現控制任務的遠程控制和集成，最大程度滿足用戶的個性化需求。

5.2 新技術應用

未來，隨著社會環境的變化，各方面技術不斷更新和發展，智能家居控制系統設計也必將與未來的新技術、新設備以及新工藝實現結合，將網絡通信、自動控制、安全防范等技術的作用最大化發揮。此外，智能家居控制系統的不斷發展和進步還可能會引發未來IT 行業的新風潮，最大化拓展其應用范圍，助力智能家居的商業化發展。

5.3 與智能電網的結合

用戶住宅中，電網是基本需求，智能電網能為整個智能家居控制系統實現全方位服務。在手機移動終端就可以實現全方位信息的接收和處理，能更進一步地提升智能管理效用。

6 結 論

物聯網技術與智能家居控制系統設計的結合是必然的發展趨勢，也能從根本上助力智能家居產業的進一步發展。基于物聯網的智能家居控制系統設計不僅要以市場為導向，進行標準化和個性化智能家居系統設計，還要充分尊重用戶需求，確保控制系統各項功能能切實滿足用戶體驗。智能家居控制系統設計中選擇的智能燈光、智能家電、智能門禁、智能窗簾、智能家居環境測試以及煙霧報警等模塊是基于對普通用戶的日常需求進行充分調查及分析后確定的，經反復測試，各模塊功能能順暢實現。后續隨著各方面技術的不斷發展和進步，該控制系統的各方面功能將進一步提升和完善。