易部署模塊化智能家居系統設計

黃煥林+申曉平

摘 要：文中介紹了一套易部署模塊化智能家居系統的設計，該系統是一套實用性新概念智能家居管理系統。智能家居以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將與家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。易部署的模塊化智能家居系統方案，具有低成本、易普及等特點，有望引領行業規范的形成。

關鍵詞：易部署；模塊化；智能家居；ZigBee；RS 485

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）11-00-02

0 引 言

隨著物聯網技術的成熟，智能家居產品層出不窮，但這些智能家居設備往往從“設備”這個點上下手，沒有從家裝方面考慮，且缺乏聯動性、部署美觀性，成本居高不下。隨著設備的增多，這些智能設備的缺點就暴露出來了。

本文提出的智能家居系統由ZigBee無線個域網、RS 485有線通訊結合互聯網組成。系統包含家居電源管理功能、家居安全檢測功能、家居環境檢測功能及一個方便易用的控制終端。支持有線、無線部署。

該系統具有高可靠性、低功耗的ZigBee核心板或8051核心板，核心板與傳感器設備或繼電器設備采用模塊化組合方案。該系統以用戶實際需求出發規劃部署，以達到高效便捷的作用。

系統的控制終端具有外形精美，可作為藝術品擺設的控制盒。通過敲擊該控制盒便可以輸入控制信號（即以敲擊序列作為指令），根據信號管理該系統。這是一種新概念的管理信號傳遞方式，通過敲擊可以輸入控制信號，即以敲擊序列作為指令。

系統具有可擴展的公開接口，預留用于后續第三方應用或電器設備接入該系統。整個硬件系統由ZigBee組網技術或RS 485通訊網連結，且接入以太網，聯網路由器通過DDNS發布網絡管理界面。整體具有完整的可靠性和安全性，并具有開放平臺，為形成生態系統作好準備。

1 通用設備設計

考慮到走線美觀性和安全性，系統不宜明線安裝部署，在此基礎上，將設備設計成86通用暗裝線盒設備。因此可將硬件的設計模塊化到中板和面板中。暗盒結構如圖1所示。

面板采用通用面板，對于特殊傳感器等設備，如紅外人體，可在安裝時手動打開槽孔，通用性強；電路的設計在中板完成，中板由PCB材質制成，核心板、傳感器、繼電器等器件模塊化；電源采用市電供電，將AC-DC電源模塊化，有DC5 V、DC3.3 V兩種模塊可選。

模塊均不設計在中板PCB上，但中板對核心板、傳感器模塊、繼電器模塊保留機械安裝位置和接口。由此實現模塊化拼裝，以滿足家裝時的靈活性。

2 系統拓撲結構

可將設備分為四類，即協調器、控制盒節點、用電器節點和傳感器節點。經典應用關系如圖2所示。

“路由”為普通家用無線路由、“客戶端”是手機App。除“控制盒節點”必須采用通用設計外，“協調器”“用電器節點”“傳感器節點”均為通用設計設備，設備間通過ZigBee無線自組網技術或RS 485有線組建。

系統中三種類型節點均可具有多個。其中用電器節點主要由 “核心板+繼電器模塊+市電適配模塊+中板”（傳感器節點、協調器）組成，用電器節點可接收來自協調器的指令開關繼電器從而控制電器設備。通過繼電器模塊即可連接其他多路插座，單個用電器節點最多支持控制8路插座。

而傳感器節點與用電器節點最大的區別是多樣化，傳感器節點根據采用的傳感器不同可分為人體紅外節點、光照度節點、入侵檢測節點、火焰檢測節點、煙霧檢測節點、空氣質量檢測節點、溫度節點、濕度節點等，且后續可通過系統升級加入更多節點。傳感器節點具有低功耗特性，可采用干電池供電。

如果按通訊介質劃分，可分為無線方式和有線方式，采用ZigBee無線通訊的網絡結構如圖3所示。

由ESP8266和CC2530組成“協調器”設備。ZigBee網絡節點間可自由組網，節點間最大傳輸距離為40～200 m，滿足家庭使用。有線網方式如圖4所示。

兩種方式中“協調器”均通過無線接入家用路由器，ESP8266在局域網中提供HTTP服務供客戶端App配置管理整個系統。可以同時存在多個網絡。

在家中，用戶終端設備（PC或手機）接入路由后使用Web瀏覽器、客戶端App即可管理系統，當用戶離家時，還可以通過互聯網遠程管理家中的電器設備。

考慮到不同用戶的需求和多樣化特性，控制盒支持采用不同材料定制外殼，如陶瓷、陽極鋁合金、塑料等。控制盒采用鋰電池供電，可以循環充放使用。控制盒內置震動傳感器，通過敲擊可以給控制盒發送指令，從而控制家中的用電器設備。另外控制盒還內置紅外信號發射功能，可以實現家中空調、電視等設備的遙控。

3 系統軟件功能

系統具有自主研發敲擊指令解析算法，該算法實現了輸入控制盒的敲擊動作去重、消除抖動，并具有防誤操作等功能。

系統通過自主改進完成的ZigBee協議棧可以實現ZigBee多網狀自組網、信道跳頻防干擾、防網絡入侵等功能。

系統用電器節點設備（如多路插座）具有一個“硬開關”、一或多個“軟開關”，“軟開關”給用電器斷電或上電后可由軟件控制改變用電器狀態，而“硬開關”可以實現強制斷電。

系統中協調器提供HTTP界面和客戶端App設計，如簡單的電器設備、傳感器、控制盒加入、刪除功能，還可以修改控制盒的敲擊指令。另外還具有“智家功能”，通過該功能，可以設置一些自定義“場景”。通過傳感器節點的配合，實現如開門時系統通過用電器節點自動開啟家中燈具，溫度達到上下限時自動開啟空調，光照太強時自動拉上窗簾等功能。

4 結 語

該易部署模塊化智能家居系統具有較強的整體連動性能，采用模塊化設計可以加快產品的更新迭代，以用戶需求為出發點自由搭配，最終實現“智能家居”。系統還提供開發者平臺，支持接入更多類型的節點設備或其他智能用電器設備，因此保證了該系統的健壯性和多樣化。最終形成安裝部署工程規范，助力物聯網發展。

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