智能家居控制系統設計與實現

趙啟威

摘要：智能家居在現代社會發展速度越來越快，將成為未來居家生活的重要組成部分.鑒于智能家居發展的未來前景，越來越多的企業投入開發智能家居系統.在總結前人成果基礎上，以WIFI無線信息通信傳輸代替傳統通信方式設計的一款智能家居系統.介紹了該系統的硬件結構設計、控制系統、客戶端軟件系統設計及性能測試要求.實踐表明，該系統操作簡單，且能實現了用戶遠程實時監控和管理，可應用于智能家居領域.

關鍵詞：智能家居；控制系統；設計；實現

引言

智能家居概念最早是由美國學者提出的，被稱為SmartHome.智能家居作為新興產業正在成為市場的新寵兒。國內智能家居市場發展迅速，由于智能家居實現家電、家居生活、互聯網等有機結合，因此也被視為“互聯網+”影響下科技對社會一大重要影。國內已經有不少企業投入巨資進入智能家居系統設計領域.實現智能家居的關鍵技術是總線技術，通過該技術對家居住宅中的各類家電、通信、安防等設備實現智能管理與監控。隨著科學技術的發展，現代智能家居是居家住宅為平臺，以家中各種設備為控制對象，應用計算機技術、自動控制技術、通信技術等技術構建的家居智能控制系統。智能家居是實現生活智能化的關鍵技術，該技術的實現由硬件系統與軟件系統兩部分構成。

1智能家居的主要應用

智能家居作為物聯網的主要應用之一，它以住宅為平臺，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、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構建高效的住宅設施與家庭日常事務的管理系統，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家是家居的重要組成部分，家電智能化控制系統的開發和建設已被人們廣泛關注。基于目前智能手機Android操作系統的廣泛應用，本文研制了一款基于Wi-Fi的智能家居系統，此系統具有電源管理、開關控制、家電設備控制等功能，包括燈光系統、家電系統、遙控類家電智能控制系統，在保留原來功能基礎上，實現本地無線控制和遠程控制。

2基于WiFi技術的智能家居硬件系統設計

1.1WiFi無線通信技術

傳統的智能家居通常采用有線的通信方式，但是存在布線繁瑣、擴展性能較差等問題。隨著無線技術的普及，特別是云計算、物聯網的出現，無線智能家居在其推動下應運而生，并逐漸發展壯大，已成為智能家居系統的首選。紅外通信技術、小于1GHz的射頻技術、ZigBee通信技術、WiFi技術、Z—Wave技術等是目前連接智能家居產品和移動設備的主要手段。

無線射頻技術也已經比較成熟，具有良好的穿透性、成本低廉的優點，但其傳輸距離短、抗干擾性、安全性較差，且目前絕大部分應用只能單向通訊。Wi-Fi技術突出的優勢在于：其一，無線電波的覆蓋范圍廣；其二，傳輸速度很快，可以達到11mbps，符合個人和社會信息化的需求。而且基于Wi-Fi技術的無線局域網已經日趨普及，因此常稱為智能家居無線通信技術的首選。WiFi技術將智能家居的各類家電設備、通信設備、安防設備高效地銜接起來，提供比傳統智能家居更舒適、安全、便捷的智能家居生活空間，提高了人們的生活方式，為用戶帶來了全新的家居生活體驗。

1.2WiFi插座的控制原理

WiFi智能插座利用了現有家庭中的WiFi網絡，通過客戶端操作打開或者關閉指定的家電。可實現普通家電的智能化，即在傳統插座和普通家電之間安裝一個智能插座，通過WiFi接收智能終端發出的指令，自由的操控連接的設備。WiFi插座是由WiFi模塊、繼電器控制電路、繼電器和輸出觸點構成。串口WiFi模塊根據接收到的控制指令控制繼電器的通斷，如圖1所示。

與普通的WiFi模塊相比，WiFi插座可進行數據的無線接收與發送，實現節點之間的互相通信以及節點與Internet網絡通信。插座中內嵌的單片機使普通的家電設備無需運行在操作系統上就可運行，實現裸機驅動；同時WiFi插座還內嵌了TCP/IP協議，具備了家庭網關的Internet網絡接入功能，家庭局域網與TCP/IP協議間的轉換，家庭局域網中各種不同通信協議之間的協議轉換等功能，無需家庭網關，可隨意擴充插座的數量，可擴展性較強。

1.3基于WiFi技術的智能家居硬件系統整體架構設計

基于WiFi插座的智能家居系統由WiFi插座局域網、無線路由器、Internet網絡、手機接入網絡和無線控制端等組成。其工作原理主要通過智能終端（PC或者手機）利用無線網絡發送控制信號，收到信號的各類傳感器設備通過觸發控制命令來控制智能插座的通斷，從而實現對家居設備的遠程、實時的控制。系統的整體架構圖如圖2所示。

采用WiFi插座局域網技術實現對各個節點的控制，即插即用，沒有復雜的安裝流程，無需單獨設立家庭網關，降低了智能家居的成本；可通過插座的隨意擴充，實現家庭局域網的隨意擴展與縮減，保護了現有的裝修環境；并利用無線終端對家庭網絡中的任一節點實現本地、遠程的自由控制。

3性能測試

3.1基于WIFI的智能家居系統設計完成以后，還需要進行全面的性能測試。通過智能家居系統硬件、控制系統、軟件系統等全面的設計，構建了基于WIFI技術的智能家居系統。該系統實現了用戶對家居電器的智能遠程控制，使生活更加舒適。智能家居的理念被提出已經有很多年了。智能家居系統的設計是實現智能家居理念至關重要的環節。WIFI技術的發展的智能家居系統設計發展有著決定性影響，是智能家居系統更加安全、高效.基于理論提出的設計理念最終被廣泛推廣應用，還需要對系統進行全面的性能測試。系統性能測試的目的，一方面確保系統設計的功能能夠充分發揮作用；另一方面，全面的性能測試還能有效評估系統的穩定性。由于系統在應用中需要應對更加復雜的使用環境和使用條件，只有經過全面的性能測試，才能真正適應市場滿足廣大群眾的使用需要。

3.2為了測試手機控制家居的效果，在距離測試家居10公里外通過手機登錄家家居控制系統并發動控制指令，測試運行的服務器數據傳輸程序。結果證明手機軟件與中央控制器實現通信。

3.3對家居智能系統的性能測試要滿足信號傳輸穩定、安全、準確的要求，系統的各種家居設備的控制要靈敏有效。此次智能家居控制系統設計的測試家電以電冰箱、洗衣機、微波爐、電視機、監控器等電器為主。對于使用過程中可能出現的某個設備異常能夠及時預警。在滿足以上測試要求后，才是一套具有市場投放價值的智能家居系統。

本文對系統的性能測試由兩方面組成.一方面是基于實驗條件，對智能家居系統軟件進行各項功能測試。測試過程中設置一些影響因素，判斷系統工作的穩定性和可靠性。另一方面，在系統廣泛推廣前進行必要的系統市場檢測.要求不同年齡、不同區域的用戶進行系統使用檢測。通過用戶的使用真實反映系統存在的不穩定因素。最后，系統通過性能測試被廣泛推廣后還需要保留端口用于收集用戶的使用反饋，為系統優化升級積累豐富經驗，系統通過測試后就可投入使用。

結束語

本文設計了一款基于Wi-Fi的智能家居系統，由網關、智能終端組成內網，網關、家庭路由器、Internet組成外網。操作時，手機APP發出指令后，最終經家庭路由器到達網關，經網關過濾后轉發給各個終端節點，實現了遠程控制，系統同時保留了本地的所有操作功能，保證了用戶系統的正常運作。經實際測試，系統穩定性好，操作可靠，達到了預定的設計目的。

參考文獻

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