基于物聯網技術設計的當代智能家居控制系統

羅金海

物聯網智能家居控制系統在運用過程中，主要是以住宅為主體，綜合利用物聯網、云計算、人工智能等技術，使家居設備具有集中管理、遠程控制、互聯互通等功能。 利用信息傳感設備，對信息進行識別、傳遞、判斷、接收以及控制等。通過這一系統，能將家中安全設備、電器等連接在一起，形成安全防護、家庭通訊以及設備控制為一體的系統。 系統不僅體現了實時性，能夠對家中設備運行進行實時控制；而且體現了及時性，在出現事故的情況下，能夠及時發現問題，并運用有效方式將其解決；同時，不存在地域性的限制， 在具備管理權限的情況下，可以不受時空限制，隨時隨地利用系統展開管理[1]。

智能家居控制系統概述

智能家居控制系統于20 世紀80 年代產生，最開始在美國出現，然后加拿大、東南亞、歐洲等經濟較為發達的國家和地區先后提出各種智能家居方案。這一系統主要是運用網絡通信、互聯網、智慧云端，根據人體工程原理將個性需求融入其中，使和居家生活相關的系統，如燈光控制、安防、煤氣閥控制、窗簾控制、信息家電、健康保健及場景聯動等有效結合在一起，通過網絡化實現綜合性智能管理與智能控制，充分將以人為本的家居設計理念體現了出來[2]。 智能家居控制系統設計的目的在于使家庭更加安全、舒適，在社會經濟迅速發展的過程中，人們對于家居智能化的需求也在不斷升級，希望擁有更加便捷和多元化的智能家居。

智能家居控制系統設計方案

1. 總體功能結構設計

無線智能家居控制系統突破了傳統形式上的家居燈光以及電器控制方式，運用新型無線智能控制，通過手機或平板電腦等智能設備，可以對家居電器進行集中控制，還可以設置不同的場景模式來完成一鍵場景切換和控制。 除此之外，系統的邏輯控制功能能夠讓用戶設置各種不同的邏輯來完成指定時間及指定條件下的邏輯控制。 外出時，用戶依然可以利用手機或平板電腦隨時隨地查看和控制家中的燈光、窗簾、空調等家用電器，讓人輕松享受“家，時刻都在身邊”的感覺，暢享由智能家居系統帶來的舒適、方便以及樂趣。 智能家居系統結構如圖所示。

智能家居系統結構圖

智能家居控制系統包括控制室內燈光、 機電設備、家電、窗簾，以及安防防盜和可視對講系統等，針對室內外環境監測進行了系統集成。機電設備、燈光、窗簾及家電等設備通過專門設置的控制器，結合區域場景設置采取相應的動作，以達到滿足需求的控制。安防防盜系統、可視對講系統等通過智能家居控制系統在不同區域設置的控制終端對該系統進行設置，大大方便了用戶的操作。室內外環境監測系統通過傳感器進行監測， 當達到環境指數閾值則觸發相應設備進行動作， 實現房屋自主管理。

2. 系統硬件設計組成

本智能家居控制系統基于IEEE802.15.4 基礎協議， 是IEEE 無線個人區域網（Personal Area Network，PAN） 工作組的一項標準， 被稱作IEEE802.15.4 ZigBee 技術標準， 主要適用于自動控制和遠程控制領域，支持地理定位功能。 同時，采用Zigbee 射頻通信技術構建系統網絡，Zigbee技術是一種新興的、短距離、低功耗、低成本、自組網、低復雜度、安全可靠、高擴展性的雙向無線通信技術。

智能網關是智能家居控制系統的核心， 是整個系統的數據中樞，綜合運用了互聯網技術、Zigbee 雙向射頻通信技術和RS485 總線通信技術，提供包含安防、居家電器綜合控制的解決方案。通過RJ45 接口實現網關與互聯網的連接，借助互聯網，可實現家居設備的云端遠程控制；通過Zigbee雙向射頻通信技術，可靈活組網，構建家庭內部電器設備互連網絡， 實現家庭內部電器設備有效控制及狀態反饋；通過RS485 總線通信技術，與電器設備進行對接，實現設備互聯，實時檢測設備狀態，進行有效控制等。

物聯網鎖采用低功耗電池供電，實現指紋、密碼開鎖、刷卡開鎖和機械鑰匙備用開鎖。不僅支持本地管理，并且利用互聯網和Zigbee 技術，結合云服務器、家庭智能網關和Zigbee 終端，可以實現遠程授權管理， 還可以實現開鎖權限管理和防盜報警功能， 從而大大提高智能門鎖的可控性和安全性。

本系統根據家居生活所需， 設計了多種不同功能面板，包括燈光控制面板、窗簾控制面板、場景控制面板、聯動控制面板及調光控制面板等。這些面板均采用零火線方式供電，系統工作穩定，通過Zigbee 網絡協議，可靈活組網。 其中，燈光控制面板連接電燈，以實現家居燈光控制；窗簾面板連接窗簾電機，匹配窗簾導軌，即可實現窗簾的開關控制。 場景控制面板實現對多個設備的集中控制，也可對單個設備進行控制，具有場景狀態指示同步功能，采用靈活的場景配置方式，用戶可以根據生活習慣設置所需要的場景模式， 場景設置可以通過軟件配置或脫機配置。 聯動控制面板通過與燈光/窗簾控制面板等互聯，一一對應，實現燈光、窗簾電機等用電設備的雙向控制。調光控制面板連接可調光燈具， 用戶可以根據喜好調節燈光亮暗，以滿足各種生活所需。上述這些面板都可以通過智能網關實現本地實時控制、本地跨區控制本地預置邏輯控制、本地移動控制，在外網（系統網絡與互聯網連接）條件具備的情況下，還可實現遠程控制。

除上述系統設備之外， 智能家居控制系統還包括其它許多系統設備。如燃氣探測器，可用于探測家中燃氣泄漏情況，同時可以聯動場景，關閉燃氣閥，并將信息發送至手機APP。

智能家居控制系統的運行

1. 環形網絡分層控制

環形網絡分為7 層，即應用層、表示層、會話層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層，但是比較常見的為5 層，即應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層和物理層，雖然某些層進行了合并，但是本質上一致。在運用環形網狀展開分層控制設計時需將網狀網絡作為基礎，建成之后能夠多點接入也能以自行方式實現無線通信功能。 根據網絡進行數據傳輸的具體特點， 設計時需將協調器節點作為中心，針對各個節點分層進行規范，并確定分層具體深度， 運用數據路由將傳輸時各個節點具體層次詳細記錄下來，進而減少資源浪費，也能避免數據出現爆炸問題。 分層控制系統能夠運用數據匯聚協調形式對數據進行采集，同時將協調器節點視為中心， 以環形分層形式構成控制系統，結構當中一環為一層，每層之間的間隔會逐層增加，對于協調器來講，層次數量為零。

分層詳細情況如下：首先，建立網絡以后，協調器以及別的節點具體層數都為零[3]。 其次，系統會由協調器節點運用分層確定幀的發送方式與網絡接入，通過這種方式，能夠使協調器節點和連接系統中的其他節點信息保證聯通。 再次，分層確定幀在送至目標節點的情況下，如果目標節點層次為零，系統會直接更新成確定幀的實際轉發次數，如果層數不為零，本身層數和分層確定幀的實際轉發次數將會由系統對比，然后取兩者之間的最小值。 最后，在目標節點層數更新情況下，則需轉發分層確定幀，若不更新，則不需對其進行轉發。 分層確定幀在到達控制系統時，系統可能會存在多次對分層確定幀進行接收的情況。為了防止系統產生過多資源消耗，需將分層確定幀的轉發次數控制好，運用已更新目標階段層數對分層確定幀進行轉發處理，進而使系統在工作時能夠處于最佳狀態。

本智能家居控制系統設備端子系統構建了一個基于Zigbee 的互聯網絡，結構簡單、成本低廉、數據傳輸可靠，并且擁有簡單且靈活的通信網絡協議。 Zigbee 網絡支持星狀、 樹狀和網狀3種網絡拓撲結構。在Zigbee 網絡中存在3 種邏輯設備類型：協調器、路由器和終端設備。 Zigbee 網絡由一個協調器、多個路由器和多個終端設備組成，系統中智能網關充當著協調器的角色，其他設備則為路由器或終端設備。 協調器負責啟動整個Zigbee 網絡， 同時也是網絡的第一個設備，協調器選擇一個信道和一個網絡ID，隨后啟動整個網絡。協調器的層次深度為0，其子設備的深度為1，子設備的子設備的深度為2，以此類推。路由器的主要功能是允許其他設備加入網絡、多跳路由和終端設備的通信。 終端設備沒有特定的維持網絡結構的責任，主要實現終端控制功能。

2. 系統遠程控制

在物聯網基礎上發展的智能家居遠程控制系統， 設備端子系統在采集設備當中的數據時，需運用高速傳輸形式與互聯網進行連接，只有在此情況下，才能使系統正常運轉得到保證。 就子系統來講，由于多數情況下傳輸數據較大，因此特殊設備中獲得的數據需運用高速運算方式處理，進而使數據在傳輸時的及時性以及準確性得到充分保證，也能確保數據在傳輸時的量。 對于系統傳輸數據體系來講， 由于傳輸效率比較高，并且體系結構有較強抗干擾能力，輸送過程中能夠使大量數據以較快速度進行傳輸，保證傳輸時的實時性，因此，可以將其運用在數據實時采集、大量數據傳輸等場景中。

本智能家居控制系統設備端子系統通過智能網關與互聯網相連，系統中所有的設備信息都可以通過互聯網傳輸、 保存到特定的服務器，強大的數據傳輸能力保證了系統的穩定運行。 用戶不僅可以根據個人的喜好通過手機APP 進行系統的各種場景設置，同時還可以通過APP 對系統中的各個設備進行實時控制。 系統中的任何狀態變化都能迅速被獲取并及時被處理，最終得到有效控制，為用戶提供更加舒適、便捷的居家體驗。

結語

總之，基于物聯網技術設計的智能家居遠程控制系統，能夠突破時空限制，對家居信息展開實時監控。 通過無線網絡，將控制終端和用戶移動設備連接在一起，使用戶隨時隨地了解家中信息，并通過控制系統對家中設備進行操控，從而為用戶構建更加安全、智能、高效的生活環境。