基于WiFi技術的智能家居系統設計

曹慶年+李穎+張曉蕊+孟開元

摘 要：智能家居是物聯網在家居方向的一個重要應用，該系統設計為控制、采集和分析三大部分，分別實現狀態控制、家電相關參數數據采集以及云端數據分析處理功能。基于這三大功能設計了應用層通信協議，在Wi-Fi技術支持下，實現終端用戶對家居情況的可視化了解和控制，提高了日常生活效率和生活質量。

關鍵詞：智能家居；物聯網；Wi-Fi技術

DOIDOI：10.11907/rjdk.171359

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：1672-7800（2017）008-0067-02

0 引言

隨著物聯網時代的到來，人們對方便快捷的生活要求日益提高，各式各樣的物聯設備不僅服務于工業生產，也出現在人們的日常生活中。物聯網就是將物與物、物與人通過網絡連接并將信息在網絡上傳輸的互聯網，其核心流程是通過各種傳感設備將信息采集后，通過通信網絡將信息傳輸至網絡終端加以處理，并將信息反饋呈現給終端用戶。

基于物聯網，結合安全防范技術、自動控制技術等，構建智能家居系統，實現家居生活的自動化和智能化，使家居生活更加便捷。

1 系統總體設計

1.1 設計目標

以實現家庭自動化為目標，實現各電器狀態查詢功能，居住環境溫度、濕度實時監測以及異常報警功能，用電器的添加管理功能，最終可以通過終端對家庭環境、電器狀態等進行綜合監控、智能化管理，更好地服務人們的生活。

1.2 系統結構

系統分為3個部分，信息采集層、信息傳輸層、信息管理層。信息采集層通過家用電器的內置傳感器完成，聲敏、熱敏、氣敏和化學傳感器等，它們像人類的感官一樣將感受到的信息采集起來。信息傳輸層通過Wi-Fi模塊以及路由器實現，傳感器將采集到的信息通過Wi-Fi連接到無線局域網并將信息發送至路由器，路由器將家庭無線局域網和互聯網相連，并轉發信息至服務器。信息管理層通過終端手機、PC來完成家用電器信息的查看與管理，終端用戶向服務器請求查看具體家用電器參數，服務器響應該服務請求進行處理，查詢終端請求數據，送回終端顯示給用戶。系統結構設計如圖1所示。

1.3 系統模塊

系統由三大部分構成：控制系統、采集系統、分析系統。控制系統負責家電的開關狀態控制、各家電參數的控制等，采集系統對監測參數進行采集并提交分析系統進行系統性分析與處理。系統模塊如圖2所示。

其中，照明系統控制家中各房間的燈具，一般分為可調亮度的和不可調亮度兩種。對不可調亮度的燈具可通過無線終端單元輸出單路數字信號與開關面板輸出的信號經過異或門后連接到燈具輸入端，這樣中央控制系統通過遠程或直接通過面板都可以對燈具進行控制，互不影響；對于可調亮度的燈具則需要無線終端單元將輸出的亮度信號通過AD轉換芯片轉換成模擬信號再輸入燈具端以達到調節亮度的目的。

家電智能遠程管理系統主要負責對家電的管理，主動進行家電狀態的改變，或對家電進行遠程預約。

環境監測系統完成家庭溫度、濕度、空氣質量相關參數以及關鍵位置視頻圖像的采集，采集模式分為3種：定時采集、主動采集、觸發式采集。定時采集即對每個參數進行固定時間的周期式采集，在云端生成報表供查看；主動采集即終端用戶主動進行參數查看；觸發式采集即在滿足特定條件下進行觸發采集。

敏感信號報警系統主要結合環境監測系統所采集的相關敏感參數，比如一氧化碳濃度、煙霧等進行限值的判定報警，不同參數設置不同的報警對象。

云端大數據分析將利用相關算法，對數據進行綜合分析及處理，使家庭離散數據信息整合成為可視化的有意義圖表信息呈現給終端用戶，并給出合理化建議。比如：通過對家電的預約情況結合時間進行分析，得出用戶的生活習慣并以圖表的形式展現給用戶，供用戶參考調整。

2 系統通信協議設計

目前，使用較為頻繁的幾種短距離無線通信技術分別為藍牙、ZigBee、WiFi等。藍牙具有功耗低、穩定等優點，大部分手機都支持，但其傳輸速率較低；ZigBee功耗非常低，并且可以自組網，但其傳輸速率慢；WiFi是使用最廣泛的無線局域網通信技術，幾乎家家都在用，而且其傳輸速率快，還可以聯網。本系統的主要目的是控制和查詢家電狀態，聯網和數據傳輸速率是重要的性能指標，因此選用WiFi技術作為家電無線通信技術。

對WiFi框架進行分析，基于Wifiservice類，使用Wifimanager類實現對WiFi模塊狀態的獲取，并用其配置和控制WiFi模塊。

2.1 通信模型

本系統信源為家用電器，不停運轉的電器每時每刻產生信息，然后通過無線網絡的方式傳遞至終端用戶。通信流程如下：家用電器產生信息，通過換能器將信息進行能量變換（聲電、光電等），將能量變換為電信號，再通過數模轉換單元，將模擬信號轉換成數字信號，然后將信號編碼成為一個數字序列，增加信息的有效性，最后將信息進行調制后發送至無線通信信道。相似地，將信息送至用戶終端為其反向流程。

2.2 協議設計

通信協議就是相互交流的一套規則，它包括語法、語義、時序，即對等層實體之間信息從源地址發至目的地址。兩者之間需要統一發送信息的數據結構或格式，統一發送信息的順序，統一發送控制信息的響應方式。

本系統使用手機、PC終端控制并查詢家用電器的信息，此過程需要制定一個通信協議來統一終端和用電器之間的規約，讓電器正確接收并處理終端給出的命令。因此，智能家居的通信系統擬為互聯網 5層協議棧，每層用下層的服務處理本層需求。協議棧的體系結構如圖3所示。

物理層處理電器機械、電氣的接口負責物理傳輸，即將編碼好的數字序列一個個地發至物理鏈路；數據鏈路層將數據報封裝成適合在物理鏈路上傳輸的幀格式，以數據幀的形式讓數據在鏈路上傳輸；網絡層負責將傳感器采集的信息獨立地從電器發送至用戶終端；傳輸層采用TCP協議，負責向電器和終端用戶之間提供應用程序進程間的傳輸服務；應用層在TCP/IP協議的基礎上設計一套自定義的協議。數據報格式如圖4所示。endprint

該自定義協議參照系統模塊設計，功能碼字段可分為控制、采集、配置3部分。控制即家電開關狀態、可控參數的控制；采集即溫度、濕度、灰塵等傳感器環境參數的采集；配置即家電預約配置。功能碼表如圖5所示。

設備號占一個字節，它是區別每個電器的標識，每個正規的電器出廠時，生產廠家都應對它設置一個唯一的編號，這樣就避免了相同電器的沖突問題。數據部分存放具體的信息、采集的參數數據以及預約的具體內容等數據。檢驗碼占兩個字節，采用CRC循環冗余校驗的方式，先選擇一種方案生成多項式，再計算出冗余碼作為校驗碼附在數據幀的后面進行校驗。

3 結語

本文以家居自動化為目標，進行了智能家居系統的整體設計，整個系統分為控制系統、采集系統和分析系統3部分。隨著人工智能的不斷發展，智能家居可以優化分析系統中的云端大數據分析模塊，考慮加入更加合適的人工智能算法，使整個智能家居系統的功能從輔助生活向指導安排生活方向發展。同時，重視用戶數據和隱私保護，避免連接物聯網之中的物品、數據等受到惡意攻擊。

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