智能家居系統在遠程命令控制下的數據分遞及硬件支持

侯繼強 柴功昊

摘 要：隨著物聯網技術的快速發展，智能家居越來越多地出現在人們的生活中，給人們帶來了極大的便利。通過遠程遙控就能完成電器開關、家庭安防、環境監控等一系列操作。文章從遠程命令控制的角度出發，細化討論實現命令的數據流及合理的硬件支持。

關鍵詞：智能家居系統；數據流；硬件支持

1 智能家居系統的定義及主要模式

智能家居系統是以住宅為平臺，通過物聯網技術將家中的各種設備連接到一起，實現智能化的一種生態系統。智能家居系統利用綜合布線技術、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。

（1）中央控制模式主要是通過一個中央微處理機來接收其他電子電器的信息，再將這些信息反饋給用戶。而用戶也需要通過中央微處理機發出指令來操控其他電子電器。早期的中央控制模式通過整體線網連接所用的電子電器，不具備遠程命令的功能。當中央微處理機PC端接入因特網后，可通過網絡進行遠程控制。隨著無線聯網技術的發展，成本高，效率低，不易升級改造的中央控制模式逐漸被替代，它將作為家庭網絡中的控制部分在智能家居中發揮作用。

（2）智能家電模式是在家庭網絡系統上發展起來的。數字化、智能化、網絡化的信息家電取代原有的傳統家電，每一個智能家電都是一個獨立的具有網絡連接功能的單元，同時可以和用戶雙向交互。帶有嵌入式處理器的智能家電具有一定的信息處理能力，收集的信息可以匯總到控制中心，也可以直接發送給用戶。去中心化的結構減少了電器之間信息交換的環節，同時提高了系統整體的健壯性，即使控制中心出現故障，每個單元都保留著用戶的信息，整個系統依然可以運轉。模塊化的布局更方便升級遷移，是未來的發展趨勢。

2 智能家居系統的子系統及主流技術

智能家居系統包含的主要子系統有：中央控制管理系統、家居照明系統、家庭安防系統、家庭網絡系統、家居布線系統、背景音樂系統、家庭影院多媒體系統、家庭環境控制系統。

（1）總線技術是智能家居系統中主流的有線網絡連接技術。典型的總線技術采用雙絞線總線結構，各網絡節點可以從總線上獲得供電，同時通過總線實現節點間無極性、無拓撲邏輯限制的互連和通信?？偩€技術類產品比較適合于樓宇智能化以及小區智能化等大范圍控制，但安裝比較復雜，成本較高，工期較長。

①RS-485是一種采用半雙工通信方式的長距離串行總線，用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。單條通道的最大節點數為32，傳輸距離較近，可靠性較差，傳輸速率低，但其電氣電路設計簡單，實現方便，易于維護。

②CAN總線技術通過對通信數據塊進行編碼代替了傳統的站地址編碼，可使不同節點同時收到相同數據，這一功能支持分布式網絡結構[1]。CAN總線與RS-485具有相同的缺陷，不能連接樹狀總線，只能作為大系統的分支連線。

③LongWorks總線技術采用ISO/OSI七層模型的通信協議和面向對象的設計方法，通過分布式的Neuron神經元芯片從而實現無須主控的神經網絡。每個節點都是一個神經元，這些神經元連接到一起就能協同工作。

（2）在智能家居系統中應用的無線通信技術，其本質和有線技術一樣，只是傳遞數據的媒介不同。無線技術的主要優勢在于無需重新布線，安裝方便靈活，而且可以根據需求隨時擴展或改裝。隨著新的無線技術的快速發展，原來制約著無線技術的頻段干擾問題，信號阻隔問題，設備功耗問題都得到極大的改善，使得無線技術的適用環境更為廣泛。

①ZigBee技術是一種低復雜度、低成本、能夠長時間工作的雙向無線通信技術，具有強大的自組網功能。應用于近距離、低功耗、低傳輸的電子設備數據傳輸之中以及周期性數據、間歇性數據、低反應時間數據的傳輸。

②Z-Wave技術是一種基于射頻技術采用無線網狀互聯的多點通信技術，因此，任何節點都能直接或間接地和通信范圍內的其他節點通信，其信號的有效范圍是室內30 m，室外超過100 m，比ZigBee的傳輸距離更遠。

③WiFi是基于無線局域網的一個通常在2.4 GHz ISM頻段上工作的技術。通過有線網絡外接一個無線路由器，就可以把有線信號轉換成WiFi信號。其網絡的安全性一般，設備的功耗高。

3 遠程命令控制下各子系統的數據分遞及硬件支持

（1）中央控制管理系統是智能家居系統的核心?，F在越來越多的信息處理需求使得中控系統不僅要集成下級系統的管理模塊，還要作為智能家居服務體系的前端，一方面接受云端數據庫的支持，一方面接受用戶的指令。當用戶發出遠程命令時，無論是通過移動端還是PC端，有線連接還是無線連接，都是中控系統先接收命令再將命令發送給具體的功能模塊。如果用戶只想命令某個部件而不經過中控，需要該部件具備信號調制解調和網絡地址選擇的功能模塊，這樣做有些得不償失。因為在智能家居服務體系中，遠程命令的目標地址是由服務商在本地局域網里根據中控機分配的，也就是說用戶的遠程命令一定會經過中控再發送給目標。

現在智能家電的智能程度越來越高，能夠不依靠中控通過電器之間的互相連接，互相識別協同工作，一方面提高了安全性，一方面降低了安全性。提高了中控系統故障時，整體依然能保持工作狀態的穩定安全性，但卻降低了智能家居系統的信息安全性。因為智能化的協同工作必然要求各電器之間可以互相識別，就需要儲存相應的識別信息。如果某個部件的信息泄露，可能會對整個系統造成破壞。而中控可以將命令具體化，針對每個部件發出對應的命令并接受部件的反饋，調節協同工作的操作過程。這樣既減少了智能電器需要儲存的識別信息，同時也減少了實現命令的策略信息。

基于上面這兩點，中控系統仍是智能家居系統不可缺少的部分。在家庭網絡的基礎上，中控系統控制管理其他子系統，為了在中控系統升級或維修時其他系統仍能工作，中控系統應獨立出一個網絡連接模塊用于家庭網絡和云端服務器的連接。這樣服務器上備份的中控就可以代替家庭中控進行工作，而用戶的遠程命令則直接發送給云端服務器，經過分析處理由獨立的網絡連接模塊傳輸給家庭網絡上的目標。所以，一個合理的中央控制管理系統需要服務商的服務器，獨立的網絡連接模塊，家庭內的可視化中控機，基于ARM的嵌入式微處理機并搭載了操作系統，方便用戶管理，進行個性化設定[2]。

（2）從遠程命令的實現來看，只有完成了家庭網絡系統和家居布線系統的構建，才能組成完整的智能家居系統。這里的家庭網絡系統不能代表整個家庭網絡，只表示用于智能家居服務的有線和無線網絡。家居布線系統亦然，只是沒有無線的部分。這兩個系統可以合并討論，不管是新裝用戶還是改造用戶，良好的遠程控制功能都是智能家居系統的合格標準。以中控系統為核心的總線技術減少了遠程命令在室內各電器間協同工作的數據傳輸環節，電器間發送的數據信號通過雙工通信的總線傳輸給對方，而不用像星型拓撲結構那樣必須經過中控[3]。

在家庭網絡系統中有線網絡與無線網絡的關系有這樣兩種情況：①入戶的網線首先連接中控機，再從總線接無線路由器，無線網絡基于有線并受到中控的控制。②入戶的網線首先連接無線路由器，再連接中控機，相當于將整個家庭網絡分為獨立的兩個部分，即中控控制總線網絡，無線路由器控制無線網絡。當然中控可以通過網線獲得無線路由器的信息，管理無線路由器，但此時的無線網絡不基于中控總線，這為遠程命令的實現提供了第二條路徑，即公共通信網絡—服務商局域網—家庭無線網。

（3）家居照明系統和家庭安防系統是智能家居系統的重要部分，缺少哪一個部分都不構成智能家居系統。遠程命令在照明系統中主要是生活用燈的開關，包括智能燈的效果變化。用戶發出的命令經過中控傳給照明系統的控制器，控制照明電路電流電壓變化。而操作結果是否完成則由控制器經中控發送給用戶。雙向的數據通信是遠程命令數據流的一般形式。安防系統同樣遵循雙向的數據通信，但其有特殊的要求，例如監控系統長時間穩定傳輸的要求，門禁系統密鑰生成的要求，防盜系統自動報警的要求。

從其他系統中分離出來的照明系統由兩部分組成，一部分是智能燈具，可以識別中控命令自動控制開關。一部分是電氣燈具，需要使用控制模塊進行控制，現在主流的控制模塊大都是智能插座插排的形式。對整體電路進行改造，集合控制權于中控的設計流行在無線技術不成熟時，現在智能化的趨勢越來越明顯。安防系統按范圍劃分也有兩部分：公共區域的安防和私有區域的安防。對于私有安防之重的監控系統是否要具備設備獨立性這個問題，可以從實際出發解決。中控系統具有監控模塊的功能，即儲存發送音視頻，只要連接有相應的監視器傳感器，用戶可以實時通過中控遠程查看情況，就無須為監控系統添加其他設備。真正要增加設備獨立性的是門禁系統，要做到用戶的遠程命令可以直接發送給智能門，就需要門禁局域網和智能門的網絡模塊。

4 結語

本文從遠程命令控制的角度出發，討論了智能家居系統實現命令的數據流程及合理的硬件支持。智能家居系統的發展潛力巨大，尤其是無線技術的快速發展給通信方式帶來了新的變革。無論我們置身何處，都能輕松地了解家中的情況，改變電器的狀態。智能家電會越來越聰明，中央控制系統的數據處理功能會逐漸歸于這些智能家電，每一個智能家電都將集成數種功能。綜合化小型化是智能家電的發展方向，也是智能家居系統的發展方向。

[參考文獻]

[1]周游，方濱，王普.基于ZigBee技術的智能家居無線網絡系統[J].電子技術應用，2005（9）：41-44.

[2]李鴻.幾種智能家居網絡控制系統方案的分析與比較[J].現代電子技術，2010（3）：143-146.

[3]吳文忠，李萬磊.基于ARM和ZigBee的智能家居系統[J].計算機工程與設計，2011（6）：1987-1990.