智能家居的物聯網技術及其應用分析

蘇建凱 王逸欣

(天津市機電工藝技師學院，天津 300350)

1 概述

隨著社會經濟的不斷發展，人們對生活品質的要求也逐漸升級，家居的要求也從傳統的僅僅是居住場所的要求，升級到期望能達到更加智能、方便、安全的居住環境，能有更加舒適的居住環境的要求、智能家居也逐漸被人們提上生活中。智能家居技術可應用于智能家居系統中，對家居設備進行控制及監控，如對燈光進行控制，對家居溫度、濕度進行監控等，智能家居系統包括主控設備、控制終端、各受控設備等組成[1]。智能家居系統可將所有的控制終端集成到一個系統中，采用電腦端、手機端實施對家居設備的現場或遠程控制，實現更加便捷、靈活的管理家居設備的功能。

2 智能家居系統結構

2.1 需求分析。從智能家居的用戶角度出發，對智能家居的需求進行調研，從而根據調研情況，分析智能家居系統的結構。從對用戶的需求可以看出，智能家居用戶對系統的需求主要有以下幾點：(1)電器設備集成控制。智能家居系統集成了傳統家居家庭設備，對所有設備進行集中管理，可通過一套系統，查看單個設備的運行狀態，避免傳統的每個設備單獨進行終端控制；也可實現設備之間的聯動處理。(2)場景化控制。智能家居設備實現集成和聯動控制了之后，即可根據家居用戶需求的場景，對設備進行場景適應化響應控制，可根據用戶的不同需求，設計為不同的場景。

另外，智能家居系統除了要滿足用戶對電器設備集成控制及場景化設計和控制的功能需求外，還需滿足可靠性、可擴展性等性能需求。

(1)可靠性。對于智能家居系統來說，其運行的穩定性和可靠性對用戶來說是非常重要的，如果在運行的過程中，經常出現系統崩潰、不穩定、閃退等，直接會影響用戶的體驗感和滿意度，也影響產品的使用，因此，在系統設計及實現的過程中，要注重系統的可靠性社會，保證系統各模塊工作穩定可靠[2]。(2)可擴展性。目前，智能科技技術正處于技術不斷創新發展的階段，技術更新升級速度非常快，為方便產品及系統更新升級，跟上科技發展的步伐，則需要注重系統的可擴展性，在設計時，預留足夠接口，以便對其他的產品集成，對系統升級。

2.2 系統結構。如圖1 智能家居系統結構圖可以看出，智能家居系統由物聯網關、安防監控、家庭路由器、服務器、用戶終端等部分組成，其中，各個家居硬件設備通過主控模塊進行集成控制，其主控模塊和無線模塊通過通信協議建立連接，構成物聯網關部分。另外，智能家居還可通過各個攝像頭集成組成安防監控部分，對家居環境實現監控[3]。家庭路由器借助移動或WIFI 網絡與物聯網關、安防監控部分建立連接。將硬件設備及安防監控數據傳送至服務器，服務器通過因特網與家庭路由器建立連接，家庭用戶終端則通過移動網或WIFI 與服務器建立連接。最終家庭用戶接收到系統的各個模塊的數據，并可對設備進行查看和控制。

圖1 智能家居系統結構

(1)用戶終端。智能家居系統用戶終端包含電腦端，手機APP端等，用戶通過用戶端控制智能家居設備運行及運行狀態改變，通過智能家居用戶終端查看和分析智能家居設備情況。實現智能家居系統功能。(2)服務器。服務器作為連接用戶終端和家庭路由器的橋梁，通過因特網接收和存儲家庭路由器上的數據，并通過移動網絡或WIFI 將數據顯示在用戶終端。(3)物聯網關。物聯網關直接與家居設備連接，實現家居設備的控制，包括近端控制和遠程控制。物聯網關節點包含檢測和控制兩個部分，檢測部分主要用于收集家居環境的信息，給用戶顯示出環境信息，保證家居環境的安全。控制包括控制設備的開關，設備的調節，實現對家居設備的控制。物聯網關將設備及用戶端相連接。(4)安防監控。安防監控系統為用戶提供視頻、圖片等可視化的家居環境查看功能，安防監控系統的主要設備是攝像頭，通過攝像頭廠商提供的協議，將攝像頭集成到安防監控系統中，實現對攝像頭的遠程控制，并保持拍攝的視頻，圖片等，供用戶查詢和查看。

智能家居系統是通過計算機及通信技術，將家居的各個模塊和硬件設備連接到一起，形成互聯互通集成的系統，并且實現各個模塊之間的網絡交互及互相關聯的功能。

3 物聯網智能家居關鍵技術

3.1 通信協議及流程。智能家居系統分為硬件交互和網絡交互。其中硬件交互是物聯網關的主控模塊與無線網絡模塊之間的數據交互，無線網絡模塊與主控板之間通過USART接口連接。網絡交互是指用戶終端與服務器，服務器與物聯網關，安防監控的無線網關等之間的交互，報文數據傳輸等。為使智能家居系統網絡通信的兼容性良好，網絡交互層的報文數據傳輸應適用各個模塊之間的網絡通信，確保各個模塊之間網絡通信可以進行交互通信，網絡應用層的通信協議采用統一的協議，如統一采用JSON 格式實現。系統通信協議統一之后，通信流程也需進行比較規范的設計，通信數據的傳輸數據流向上為上報數據，向下為下發數據[4]。智能家居系統通信流程主要分為局域網通信和廣域網通信，局域網與廣域網的區別就是用戶終端與物聯網關及安防監控的數據是否可以直接交互[5]。

3.2 物聯網關。智能家居系統物聯網關硬件包括無線網絡模塊，主控模塊及各個設備。其中，無線網絡模塊主要用于與服務器或用戶終端進行數據交互，可采用便于集成和二次開發的高性能無線網絡模塊；主控模塊主要用于控制設備及與無線網絡模塊進行數據交互，可采用易于開發，性能高的模塊，各個節點設備模塊包括控設備的控制模塊和數據采集模塊。主控設備與各個設備的節點設備模塊之間，用導線直接相連，主控模塊與無線網絡模塊之間，通過USART接口連接。

如圖2 物聯網關結構圖可以看出，無線模塊與主控模塊通過通信協議進行數據交互，主控模塊與各個設備的節點模塊通過導線連接，可對各個設備進行控制或是數據采集。

3.3 語音識別技術。智能家居系統的安全認證也是用戶比較注重的功能之一，安全認證可通過語音識別、人臉識別、手機驗證等多種方式進行，其中，語音識別主要用到了語音識別技術，通過運用聲學模型，語言模型，將語音信號解碼轉換成文字等。其中處理過程中，用到了多學科方法，如信號處理技術，數據挖掘技術，統計建模方法，語音語言學知識，還用到了語音語言數據庫等。

3.4 推送技術。信息推送技術是針對對信息需求的用戶，提供定期推送消息的服務，通過一定的信息推送技術標準及協議，借助信息技術，定期推送信息，避免用戶信息過載。

用戶終端初始化SDK 后，通過個推SDK 登錄，個推服務器常主動推送消息給用戶接收者，用戶可提供對消息的接收需求，服務器根據用戶的需求進行消息的推送，極大的提高消息推送的分布率。

4 物聯網智能家居應用

4.1 應用功能。物聯網智能家居應用功能主要有用戶終端登錄驗證，對設備的管理及控制，對安防監控部分的查看及控制，對家居環境情景模式的設定，系統管理等。物聯網智能家居應用功能圖如圖3 所示。

從圖3 智能家居應用功能圖中可以看出，智能家居應用主要的各個功能模塊還包含許多功能子模塊，如登錄驗證包括賬號密碼驗證、語音識別、指紋識別、人臉識別等；設備管理包含設備控制、設備添加、設備移除、設備檢測，安防監控包括對監督的調節、保存、設置等，情景模式包含回家、離家、起床、自定義等，系統管理包含消息推送、軟件升級、系統設置等，其中功能模塊還可在后期軟件升級過程中，進行增加新的功能。

4.2 應用優點。智能家居的物聯網技術，給人們的家居生活帶來了一定的影響，為人民的生活提供了更高的家居生活品質及環境。

(1)家用電器設備管理及控制更加方便。應用物聯網智能家居技術，將所有的家用電器設備集成到系統中進行統一管理及控制，避免了傳統的每個設備各有控制器，容易搞混及弄丟，導致設備無法發揮作用的尷尬現象，在對設備的使用和管理上，更加方便。(2)家居環境更加人性化。應用物聯網智能家居，可根據用戶所需的環境設置情景模式，給用戶帶來更加良好的家居環境體驗及舒適感，可營造更加溫馨，舒適的家居環境，可根據用戶的不同需求，設計為不同的場景，使得家居環境更加人性化。(3)家居環境更加安全。物聯網智能家居系統可通過安防監控系統，為用戶實時監控家里情況，免去用戶對家里不放心又無法查看家里情況的尷尬，如將孩子一個人留在家中，則可通過安防監控系統實時查看孩子的情況。

另外，實現設備之間的聯動響應，比如溫度之間可通過系統進行一定的參數或關系進行關聯，一旦某個設備預警，則與其有關聯的設備，隨即可聯動做出響應，如溫度升高，則可調節濕度設備，加大濕度以避免家居環境干燥，帶來火災隱患等，讓家居環境更加安全。