智能家居系統設計方案

邢雪峰，谷宇靜 ，馬靖煊，朱玉榮

（1.地球信息探測儀器教育部重點實驗室吉林長春130026；2.吉林大學儀器科學與電氣工程學院，吉林長春130026）

隨著現代科學技術的發展，現代家庭已經不再簡單地追求家居的美觀大方，而是崇尚更加舒適更加便利的生活環境，于是智能家居應運而生。智能家居是以住宅為平臺，綜合利用自動控制技術、網絡通信技術等技術創造一個高效、安全、便利、環保的居住環境。智能家居實現服務的4個步驟主要有：信息感知、人的行為識別與理解、服務決策和服務執行[1]。所有步驟的實現都基于系統的研究與設計，目前系統設計采用的技術有無線網絡技術、自動化控制技術、傳感器技術、嵌入式技術和Android應用技術等[2]。

與傳統家居相比，智能家居要求不僅具有傳統的居住功能，還要求其具備設備自動化、遠程控制、節約能源的特點；既能滿足日常的居住需求，也要對居住空間的功能作進一步的擴展。例如智能窗簾可以根據光照強度的不同和時間的早晚自動控制窗簾的關閉和打開；智能燈光控制系統通過一個集中控制器或者遙控器調整光的強弱，控制不同房間燈的亮滅及實現定時控制等功能；智能插座還可以通過Wi-Fi遠程遙控其并使其供電斷電進行切換與定時供電。智能家居系統通過技術的綜合應用實現了信息的采集、輸入、輸出、集中控制、遠程控制、聯動控制等功能[3]；同時對醫學技術的適當應用還可以對家中病人突發緊急情況時的特殊事件作出一定的處理，如在臥室床頭設置一個求助按鈕，當有緊急情況發生時，病人可及時向家人或救助中心求助；另外也可將可穿戴式智能設備運用到智能家居系統中，如美國最新研究出的可幫助跌倒老人脫險的可穿戴式設備，它可以檢測老人是否跌倒，并向緊急救助中心發送救助短信，發送老人的實時位置，同時還具有手動的呼叫按鈕，及時地幫助跌倒老人脫離險境。

1 系統總體框架

智能家居系統以中央控制系統為核心，用有線和無線通信技術連接整個系統網絡，大致可分為控制系統、通信系統、執行系統3個方面，框圖如下圖所示。通信系統負責在家庭網絡中進行信息的傳輸，執行系統對控制系統發出的指令進行操作執行，系統之間的協調運行保證了功能的實現。

圖1 智能家居系統結構圖

在傳統家居的基礎上進行技術革新，逐步實現了家居的自動化和智能化，如智能冰箱和智能空調等，都可根據用戶需求調整其相關設置，為智能家居的發展打下了基礎。隨著網絡技術的發展，HomeRF、無線藍牙、Wi-Fi等技術概念相繼被提出，智能家居系統將利用這些技術與家庭信息管理平臺有機結合起來[4]，從而促進智能家居產業的升級。

1.1 網絡設計方案

智能家居網絡系統一般通過有線傳輸方式和無線傳輸方式來進行數據信息交換：無線傳輸方式一般以無線傳感器為樞紐，檢測室內外環境，并使用云計算技術，使用戶可以采用PC端或手持終端對家居系統進行調整和操作。

有線傳輸方式一般以電力載波方式為主體，對其他外圍設備進行協議控制，實現智能設備之間的通信與控制，因此電力線布局是否合理也從一定程度上影響著家居間通信的效率。目前可接觸的運用到智能家居的無線傳輸方式一般有藍牙、Wi-Fi、ZigBee等。其中ZigBee是一種高可靠的數據傳輸網絡，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；ZigBee技術的應用使家居網絡具有自組織性、自適應性，提高網絡安全性等特性[5]。

無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量傳感器節點相互通信形成的多跳自組織網絡系統，是物聯網底層網絡的重要技術形式[6]。利用無線傳感器網絡對室內外的溫度、濕度、光照強度等數據進行采集，然后將獲取到的數據進行分析處理，反饋到用戶處供用戶選擇，從而對家居系統做出調整。

云計算是一種基于互聯網的新型計算模式，它以資源租用、應用托管、服務外包為核心，通過共享資源池，使用戶根據其自身需要利用網絡獲取相應的資源，并支付一定的費用[7]。云計算具有強大的運算能力，自從云計算的概念提出以來，其作為一項新技術得到了快速的發展。將云計算引入智能家居系統中，并在互聯網的支持下，利用特有算法得出適合于用戶的方案，可供用戶在使用終端獲取家居系統的應用服務；同時結合RFID定位算法對用戶位置的實時定位，用戶可通過手持終端就可以實現照明、空調溫度等的自動控制。用戶也可通過云服務獲取其它住宅或小區的有關信息，從而實現真正意義上的智能住宅。在小米的智能家居產品矩陣中，利用云服務，用戶可在手機終端快速安裝相關的服務程序，通過手機遠程遙控家中設備。

1.2 模塊設計方案

智能家居系統的設計可分為若干個模塊進行操作，即采用模塊化設計方案。模塊化設計是將模塊化引入設計，將系統按照一定規則劃分為若干個模塊，然后對每個模塊分別進行設計、綜合，然后將所有模塊實現的結果有機地結合在一起，從而完成整個系統的設計[8]。

智能家居系統設計具體可分為控制模塊（如中央處理器），數據采集模塊（室內溫度、濕度，空氣質量等），安防模塊，以及功能模塊（照明，制冷，清潔等）。單獨的模塊具備一定的獨立功能，而將不同的模塊進行組合的時候又會產生不同的功能疊加，如燈光照明和門控設備，在沒有接入系統時單獨使用，而接入系統后可以相互傳遞數據，實現協調聯動，如當用戶準備進入房間時可自動打開房門，并開啟照明設備。同時，用戶可以根據需要自行更換模塊，如更換處理速度更快的控制模塊，或者是低功耗的控制模塊，更換單個精度更高的數據采集模塊，或者是功能多的數據采集模塊，以及搭載多個功能不同的功能模塊，這樣使用戶可以根據自身需求隨時隨地選取適合自己家庭的系統模塊。

2 控制模塊設計

智能家居控制器是智能家居控制系統的核心，承擔系統調整等多種任務。由于嵌入式系統具有較好的可擴展能力與功耗低的特點，可以用嵌入式微處理器來構建控制平臺。目前，市場上實時嵌入式操作系統種類繁多，常見有以下幾種：Vxworks、Windows CE、p SOS、Palm OS、Linux、μ C/OS-II、μ CLinux等。但上述RTOS大都屬于商用操作系統，費用昂貴且應用領域針對性強。相對來說，μ C/OS-II可完全免費使用，并可提供全部源代碼，且操作系統簡單、高效、易用[9]。因此μ C/OS-II在智能家居中會具有更廣泛的應用空間。此外，控制終端大多采用PC終端或手機終端，相對于PC終端，手機終端在便攜性與體積方面具有更大的優勢。隨著Android智能手機的興起，讓Android系統進入智能家居的控制系統將是未來技術的發展趨勢，利用Android系統提供的資源搭建控制終端app，同時結合Wi-Fi技術實現對家具設備的遠程控制[10]，用戶便可隨時對家居設備進行調整控制。另外，隨著智能手環與智能手表等可穿戴智能設備行業的興起，將可穿戴智能設備引入智能家居系統中，作為手持終端的一部分，勢必會為住戶帶來一場全新的用戶體驗。

2.1 數據采集模塊

在智能家居系統中，每一部分若想實現用戶定制，都離不開數據采集。這時需要傳感器及時對室內環境進行檢測，采集數據量。若房間內合理布置光線傳感器，將光照強度這一模擬量轉換成數字量傳到中央控制系統，在走廊及臥室門口布置紅外傳感器來感知住戶的夜間活動，從而可以根據用戶行為調整照明設施與窗簾的閉合；空調內的溫度傳感器采集溫度信息，當室內溫度高于或低于閾值時，控制系統控制空調做出相應調整適當降低或升高溫度；在室內安裝空氣質量傳感模塊，即甲醛傳感器、煤氣傳感器、粉塵傳感器等，這些傳感器檢測室內空氣質量情況，再結合Zigbee技術，將信息量反饋到中央控制系統，通知住戶根據需要對房間情況進行調整。

2.2 安防模塊

隨著人們安全意識的不斷提高，社會治安問題的顯著，家庭環境的安全問題逐漸被住戶所重視起來。因此安防系統成為智能家居系統中不可或缺的重要部分。智能家居安防系統大多以物聯網技術為依托，結合高可靠性、低成本的Zigbee無線傳感器網絡技術、移動通信網絡技術、全球定位系統（GPS）以及位置服務（LBS）等新技術，實現其功能。一般安防系統的基本功能有：智能門禁、煤氣泄漏檢測、室內人員定位、視頻監控、手機客戶端控制等。當系統發現異常情況時，即傳感器將檢測到的數據傳送到系統中，當超過預設定的安全值時，可通過GSM模塊將報警信息發送給用戶，從而用戶通過手持終端獲取家中信息，并采取一定的安全措施[11]，從而避免不必要的財產損失。

2.3 功能模塊

在智能家居系統中，功能設計大致有照明、制冷、清潔、家電控制四大方面。在照明控制系統的模塊中，若采用白熾燈泡，可通過燈光控制器，對室內照明進行調節；通過遵循通用的網絡協議，結合嵌入式系統，對燈光控制進行預設，實現人性化的燈光調節[12]；但隨著對照明要求日益增加，LED綠色光源逐漸進入大眾視野，若采用多色LED燈珠，可根據通信協議調整LED燈的顏色、亮度、飽和度，對燈進行分組控制等[13]。家居系統在進行制冷時，溫度傳感器對室內溫度進行采集，轉換信息量，住戶可通過Internet或手持終端遠程查看或設定室內溫度。在家庭清潔中，目前可運用到智能家居系統中的有地面清潔產品（掃地機器人）、空氣清潔產品（空氣凈化器）、日用清潔產品（洗碗機、洗衣機、消毒柜等）、收納清潔產品（垃圾桶）[14]；目前，海爾最新技術的洗衣機可以連入Internet，對洗衣程序進行更新下載，使洗衣更加智能化；另外，還可以讓洗衣機在夜間谷電價時使用，在夜晚安靜的環境中采用靜音模式洗滌[15]。智能家居系統在進行家電控制時，應用多種無線及有線通信方式，切換控制方式（就地控制、場景控制、遙控控制、終端控制等），實時對電器電路進行開啟或關閉，達到用戶需求，以避免不必要的能源浪費或事故的發生。

3 結束語

智能家居是在互聯網的時代背景下物聯化的體現。智能家居系統利用多種技術將家居設備與家庭環境聯系在一起，使用戶獲得前所未有的舒適家居體驗，因而傳統家居所看重的材質、工藝與外觀這些因素在消費者眼中的比重正在逐漸下滑，取而代之的是統一、簡潔、耐用與智能這些特色將成為家居的新賣點。家庭局域網與家庭自動化技術的結合帶來一場全新的技術革命，是未來住宅的發展方向。結合Zigbee技術，同時使用手機和可穿戴設備作為智能終端的智能家居設計方案，必將成為未來智能家居設計領域的重要發展方向。

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