多功能智能家居系統的設計

鄒霆

摘 要：文章闡述了多功能智能家居系統的設計方案，首先對整體結構進行設計，在此基礎上從基于嵌入式的服務器設計、底層驅動的設計、服務器網絡設計、門禁模塊的設計、安卓客戶端的開發等方面闡述了詳細設計過程。

關鍵詞：多功能；智能家居；無線網絡

當前隨著物聯網技術與應用的逐步深入，在傳感器和控制系統的協同配合下，智能家居擁有了更多的可能。智能家居作為未來發展前景十分廣闊的領域，其實現技術已經成為業內的研究熱點。文章在現有網絡技術的支持下，闡述多功能智能家居系統的開發原理與模式，為提升住戶便利，為住戶獲得更好的居住感受打下技術基礎，具有比較好的理論價值和實踐意義。

1 多功能智能家居的設計

本研究涉及到的智能家居，其基本設計理念，是以現有的無線網絡系統，以及家庭內部所部署的局域網系統，隨時采集各類狀態參量，以安卓系統作為應用層的開發平臺，最終實現符合居住需求，實時響應的智能家居系統，能夠對室內的全部家具設備進行監控和設置，以集成的方式實現設備的管理。考慮到安卓為開源的環境，因此對于具體用戶，可以結合其實際需求進行功能模塊的定制，因此這種模式之下開發的軟件具備很好的功能擴展潛力。下面詳細闡述其設計方法及過程。

1.1 總體結構設計

智能家居系統融合了各類技術，包括網絡技術，自動化技術，傳感器技術等等，能夠在無線傳輸網絡的支持下，對各類節點進行遠程在線監控和管理，從而可以對家居環境中的各類電氣設備、門禁設施、照明燈具等進行控制管理；此外還可以在傳感單元的支持下，實時探測環境中的各類因子，并結合事先所設定的閾值啟動或者關閉遮光、空調等設備，并且在煙霧、溫度超標時進行報警，保證居民的居住安全。并且，智能家居系統可以在數據庫中維護用戶的各類信息，當信息積累到一定數目的時候，可以通過人工智能算法分析用戶的使用喜好，并預測用戶的行為等，使家居設備能夠更加人性化，隨時為用戶提供符合其個性特點和需求的服務。這些數據也為設備本身的安全使用打下了基礎。

在整體結構上，智能家居系統可以劃分成硬件部分與軟件部分。其中，硬件部分主要的組成為系統服務器、設備控制模塊（包括對門禁的控制模塊以及報警控制模塊等），而軟件部分則主要指的是嵌入式模塊和上層應用模塊。

由上文可知，整體系統中最基礎的部分便是無線數據傳輸平臺，只有構建了底層信息傳輸平臺，才能保證上層各類功能模塊的實現。服務器可以視為是智能家居系統的控制中心，全部的信息均由服務器單元進行解析和處理，舉例來講，家居中的門禁系統，必須能夠同時進行音頻信號和視頻信號的傳送，這些信號也應被用戶安裝了客戶端的手機接受到，因此服務器需要對這些信息進行解析和編碼，使其實時順利地傳輸至用戶的安卓手機。在出現告警信息的時候，服務器應該能夠結合告警的類別，自動編輯短信息內容推送給房屋主人，由此可知，服務器的性能和功能是智能家居系統的核心，也是設計的重點。

1.2 服務器設計

由于服務器單元處在智能家居系統的核心，而其他的各個模塊均在無線網絡的支持下受到服務器的管理和控制，因此本研究采取嵌入式的方法對服務器進行設計。

1.2.1 基于嵌入式的服務器設計

在服務器模塊的開發中，采用的是Linux平臺。其具體流程為：在開發平臺上部署NFS系統，此系統能夠支持用戶和其他的開發人員對開發文檔進行共享，同步開發。把系統的主機視為文件共享系統服務器，在對uImage內核進行鏡像編輯，使之內嵌在目標板之中。在此基礎上設置交叉編譯軟件的各個參數，配置所有的環境參數，從而使上層的軟件能夠在編譯之后變成目標板上的文件。

在完成以上的操作后，繼續制作位于目標板的根文件，根文件中含有智能家居控制程序相關的各類庫文件和目錄等。通常開辟一個單獨的分區，在其中設置與在根文有關的目錄。在完成程序調試時，同時也就完成了目標板運行前的所有工作。

1.2.2 底層驅動的設計

本設計所需的底層驅動含有無線網絡連接設備，Wi-Fi連接設備等，此處以Wi-Fi連接設備為例，首先將此設備視為一個字符型的模塊，為了能夠使上層的應用對本模塊進行讀寫操作，就應該調用相關的進程。所有的底層驅動均在/dev文件夾里為上層的各類調用預留端口。

1.2.3 服務器網絡設計

由于不同的住戶對于智能家居的功能需求也有所不同，因此本設計在傳輸模式的選擇上，確定了復合型的模式，即對移動聯網、Wi-Fi連接等各類模式均支持，用戶只要處于存在上述網絡任何一種連接中的環境中，便能夠獲取信息，對遠程家居設備進行監控和操作。本設計

Wi-Fi網絡是用戶使用較多的網絡之一，在此網絡的支持下，能夠將PC機、手持終端、手機等連接到互聯網中，進行遠程的操作和控制。Wi-Fi網絡的出現，能夠很好地支持802.11協議的無線傳輸，因此也適合于對門禁等需要實時傳輸信息的模塊使用。

3G與4G網絡也是目前使用較為廣泛的無線傳輸技術，其理論基礎是傳統移動運營商的蜂窩通訊。3G與4G網絡一方面能夠支持傳統的語音信息，另一方面也完全兼容數字流量，一般情況下的波特率可以達到百k左右。本設計由于使用的是安卓系統，采取標準的聯網方式，為了適應不同情況下的無線傳輸，需要對Linux平臺的內核進行調整，本設計為其增設了USB驅動撥號腳本，使其可以在3G與4G網絡的支持下進行無線傳輸。本研究所設計的基于不同無線傳輸體制的底層數據方案如圖所示。

1.3 門禁模塊的設計

在智能家居系統中，門禁模塊需要實時進行視頻信息和音頻信息的傳輸，因此涉及到很大的數據流量，同時還接收來自服務器的各類控制指令，譯碼后進行執行并返回信息。而對于門禁系統的聲音信號，其采取的方式是首先進行錄制，結束之后將其以wav文件進行保存，再以socket的模式將語音傳輸至服務器模塊，服務器收到語音信息之后，將相關消息發送到住戶的手持終端上提醒其點擊鏈接進行收聽；而對于門禁系統的視頻信息，則在錄制之后使其保存為JPEG流的格式，傳輸至服務器，轉發給住戶，文件以客戶端關閉連接作為末尾的標志。

1.4 安卓客戶端的開發

住戶為了能夠在任意的時間對家居設備的運行情況進行獲取，設計了基于安卓的客戶端軟件，以支持用戶在Wi-Fi等無線傳輸體系的支持下訪問家居設備的各類參數，實現對其的控制。

其中的關鍵之處是對用戶界面進行設計。

結合具體的功能，在界面里內置了三個控件來控制界面的上中下三個區域。在界面上端，使用者可以通過復制鏈接或者直接輸入地址的方式與服務器取得聯系，在界面中部則設置了用頁面切換方法，支持住戶以觸摸的方式進行頁面的轉換等。界面下端含有本軟件的功能模塊，其中的“服務器”模塊支持用戶對家居環境中的各類參數進行查詢，例如實時的溫度、濕度、PMI值等等，也能夠查詢當前的門禁信息，包括音頻與視頻。為了支持用戶調取視頻監控中的數據，設置了一個單獨的tabpager。系統的“情景模式”模塊則可以支持用戶對室內環境進行調節，例如對窗簾遮光、燈光強度、空調溫度等進行設置等。

2 結語

目前，智能家居技術的發展方興未艾，有很多門類的產品充斥在市場中，屬于朝陽產業。可以預見在不久的將來，隨著技術的突破和市場的拓展，智能家居必將逐步取代傳統家具，使居民的居住更加舒心和環保。

參考文獻

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