一種智能家居系統的設計和應用

衛亞兵　彭凱　張銳

摘 要：文中設計了一種支持多種無線傳感技術的智能家居系統解決方案，通過智能家庭網關的銜接，將家庭內部的各無線傳感設備與外網互聯，用戶可通過手機、電腦等設備，隨時隨地地管理、監測、控制家庭內部的智能設備。該系統結構簡單，可靠性高，易于擴展，滿足了家庭低功耗、低成本的需求，具有一定的普及、推廣價值。

關鍵詞：智能家居；智能家庭網關；無線傳感設備；低功耗；

中圖分類號：TP39；TN915.41 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）03-0-02

0 引 言

互聯網的信息傳輸和數據處理都在計算機或手機類智能終端上進行，網絡的起點和終點都是計算機或手機類終端，無法到達真實世界中的物品，缺少實物網絡連接和信息處理的“最后一公里”部分。

物聯網是一種連接物品的互聯網，通過互聯網的通信信道協調、控制和分析，實現物與物、物與人，所有物品與網絡的連接，是互聯網發展的必然產物，也是互聯網范圍的進一步延伸和擴展。

智能家居系統是物聯網技術在小區家庭居住領域的應用，以住宅為平臺，兼具建筑設備、網絡通信、信息家電和設備自動化，集系統、結構、服務、管理為一體，是計算機技術、網絡技術和控制技術向傳統家居滲透發展的必然結果。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統的居住功能，同時提供信息交互的功能，使得人們能夠隨時隨地查看家居信息、控制相關設備。其應用主要有智能照明控制、智能家電控制和智能安防等方面[1]。

1 系統架構設計

智能家居系統的設計目的是將用戶的指令準確無誤地傳達到指定的家庭電子設備，實現網絡化、自動化和智能化的監控與管理。

首先，在傳統家居設備上安裝對應的信息節點模塊，采集家居設備的相關信息，上傳或接收下發的控制命令信息，即能夠使信息數據到達最終的家居設備物品，實現信息數據“最后一公里”的連接，完成物品之間的信息互聯。

其次，需要搭建用于家居信息數據傳輸的家庭內部子網絡，將各種智能家居設備終端節點連接起來，實現信息數據的暢通與可靠傳輸。

最后，為了實現遠程異地、隨時隨地地控制家居智能設備，需要搭建基于互聯網等公網或專用網絡的智能家居云服務系統，將信息數據“最后一公里”的家庭子網絡連接進來，組成覆蓋到家庭物品設備的智能家居式物聯網。結合上述設計要點，典型的智能家居系統體系架構如圖1所示。

從智能家居體系架構圖中可以看出，相比傳統的互聯網，家庭內部子網以及家居設備終端節點這“最后一公里”網絡是智能家居技術研究的焦點。

根據用戶需要，家庭內部子網的終端節點與網關節點之間的通信可以采用有線和無線方式。有線連接方式成本低、技術簡單、通信干擾小，如RS 485串口通信和局域網有線通信，但需要專業的建筑弱電施工人員參與布線和后期維護，系統靈活性較差，設備后期擴展較麻煩。無線連接方式相對來說較為靈活，安裝簡單、使用方便、維護簡易、系統擴展可做到隨心所欲，但相比有線來說信號傳輸穩定性和抗干擾能力要差。

當前智能家居室內無線通信技術主要有ZigBee，WiFi，藍牙4.0和射頻RF433 MHz，RF2.4 GHz等幾種，這些技術基本都具備了低功耗，短距離，相對低成本，部署靈活等特點，非常適合家庭等小范圍場所內的設備控制[2]。

不管是有線連接方式還是無線連接方式，都需在家庭內部子網絡中部署一個家居設備網關節點，將各家居設備終端節點連接起來，通過WiFi或網線連接到家庭路由器。家居設備網關節點是整個智能家居家庭子網的關鍵設備，主要起到信息中轉的作用，將用戶指令傳遞到家居設備終端節點進行控制，搜集家居設備終端節點的相關信息并上報給用戶進行監控等[3]。

用戶通過手機、平板或電腦等終端設備可實時查詢、監控各個家居設備終端節點的運行狀態信息，可向指定的終端節點發起控制命令操作，控制節點設備的運行。對于家庭室內的用戶操作，所有數據信息交互均在家庭內部子網內完成，無需經過互聯網和云服務系統；對于遠程異地操作，則需要云服務系統的參與，將用戶控制命令正確地轉發至指定的家庭內部子網，并將節點設備的回復信息轉發給用戶。

2 系統實現方案

從智能家居系統體系架構圖中可以看出，整個系統包括四個部分，分別是家居設備終端節點、家居設備網關節點、手機和電腦控制終端軟件以及遠程云服務系統軟件。

2.1 家居設備終端節點

家居設備終端節點是智能家居系統控制管理的目標設備，主要用于智能照明控制、智能家電控制、智能安防監控和智能室內環境監控等方面。在硬件實現上，采用STM8低功耗單片機加無線射頻外設，具備低成本、低功耗、無線傳輸等特點。

家居設備終端節點需要注冊到家居設備網關節點中，與網關節點設備建立通信連接，方能接收到用戶的控制指令，并將自身的相關狀態信息上報給用戶。家居設備終端節點的主要處理流程有注冊流程、控制流程和狀態維護流程，如圖2所示。

2.2 家居設備網關節點

家居設備網關節點是家庭內部子網的關鍵設備，將家居設備終端節點統一連接起來，并與傳統互聯網互通。通過家居設備網關節點將用戶的指令傳遞到終端節點處，并能將終端節點的相關狀態信息反饋給用戶實時監測。

家居設備網關節點在硬件上采用STM32低功耗單片機作為核心微處理器，具有豐富的多種外設接口資源。通過外接無線射頻模塊，如RF433 MHz射頻模塊，實現與家居設備終端節點的無線射頻通信。外接WiFi集成模塊，實現與家庭路由器的連接互通，完成無線射頻通信到互聯網通信的轉換。

家居設備網關節點除了參與終端節點的處理流程，還需要維護與手機控制軟件、遠程云服務系統的通信連接。

2.3 手機和電腦控制終端軟件

手機和電腦控制終端軟件主要向用戶提供操作界面，接收下發用戶的控制指令，向用戶呈現智能家居設備的狀態信息等。手機端控制軟件可以基于主流的Android和iOS兩種平臺系統進行開發和實現[4]。電腦端的控制終端軟件可以采用Web化的形式，具備跨系統平臺等優點。

手機和電腦控制終端軟件主要涉及本地管理控制和遠程管理控制兩個處理流程。在本地管理控制中，控制終端軟件直接與家居設備網關節點進行連接通信，使用常用的以太網Socket消息通信；在遠程管理控制流程中，控制終端軟件首先需要連接遠程云服務系統軟件，將用戶控制命令通過云服務系統軟件轉發給指定的家居設備網關節點，并且通過云服務系統軟件接收控制響應消息，具體流程如圖3所示。

2.4 云服務系統軟件

云服務系統軟件主要用于解決智能家居設備的遠程智能控制和監管。當用戶不能直接連接到家庭內部子網的網關節點時，需要通過遠程云服務系統軟件與網關節點建立通信連接，進而實現智能控制和狀態監控。

云服務系統軟件處于公網之上，具備合法的公有IP地址，而家居設備網關節點處于家庭內部子網，僅有內部私有IP地址，其與遠程云服務系統軟件的互聯涉及私網穿越技術。本系統使用常用的STUN/TURN私網穿越技術，實現家庭內部的網關節點與外網云服務器之間的互通[5]。

3 結 語

目前，市場上智能家居類產品種類繁多，各大廠家都在踴躍進入。但嚴格來說，都只應用了智能家居中的某項技術，距離真正意義上、無處不在的物聯網智能家居還有一段距離；尤其在智能應用層融合方面，還需要多行業深度合作，才能提供一個全方位、高效、舒適的智能家居環境。另外，統一標準、智能家居安全機制等的缺失也是制約物聯網智能家居發展的瓶頸，需要更多技術人員研究，共同推動。

參考文獻

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