基于智能家居功能模塊的設計與實現

佘盛波 王振滔 樓浩棟 鄭溫昊 王雨澤 索文騰

摘要：近年來，以高科技和信息技術為基礎的建筑智能化已經深入到越來越多的住宅小區，建筑智能化將進一步走進到每一個普通家庭。以家庭智能化方式實現的多元信息處理以及由此帶來的安全、舒適、方便、節能的生活方式，將是信息時代中人們對住宅的全新追求。本文主要根據智能家居的應用功能出發，根據功能進行模塊設計和研究。

關鍵字：智能家居，智能控制，智能建筑;

1.智能家居系統功能劃分

智能家居系統是一個比較龐大的項目，專業性較強，下面的功能板塊主要是：智能燈光控制，智能背景音樂，家庭影院系統，智能澆灌系統，其他控制模塊等。

家用電器作為現有家庭必須品，行業市場規模巨大隨著居民消費升級，高端化家用電器的占比逐漸提高，消費者也傾向于追求多樣化，節能化，智能化的家用電器。智能控制器是各類家用電器的核心部件之一，大部分特定的程式功能均由其控制和實現，家用電器智能化水平的不斷提高，給智能控制器行業帶來了新的機遇。智能家居中央控制器的研發生產是符合國家在住宅科技方面的發展要求，有利于實現良好的社會效益和經濟效益。

（1）智能燈光控制：可以用手機APP實現遙控等多種智能控制方式實現對全宅燈光的開關、調光等燈光場景效果的控制。

（2）智能電器控制：采用弱電控制強電方式，可以用遙控、定時等控制方式實現對多種電器的控制。比如智能溫控，無論人在哪里，都可以遠程控制家里的空調、地暖、新風等系統，為用戶提供一個恒溫舒適的室內環境。

（3）安防監控系統：實行安全防范系統自動化監控管理，住宅若發生火災、有害氣體泄露、偷盜等事故，安防監控系統能實行自動報警。用戶不在家時，還能通過電腦、手機等實時查看監控錄像，并進行遠程控制。

（4）智能背景音樂：在家庭任何一處位置，都可以將MP3、FM、DVD、電腦等多種音源進行系統組合，讓每個房間都能聽到美妙的背景音樂，起到美化空間的裝飾作用。

（5）智能視頻共享：將數字電視機頂盒、DVD、錄像機、衛星接收機等視頻設備集中安裝在隱蔽的地方，系統可以做到讓客廳、餐廳、臥室等多個房間的電視機共享家庭影音庫，并能通過遙控器選擇自己喜歡的音源進行觀看。

（6）家庭影院系統：是在家庭環境中搭建一個接近影院效果的系統，讓用戶在家即能欣賞影院效果級別的電影、聆聽專業級別音響帶來的音樂享受。

（7）智能澆灌系統：可以設定好每隔N天定時自動澆灌，太忙沒有時間照顧花園時可以在電腦上查看家里狀況，按下自動澆灌按鈕，便能夠按照設定模式為整個花園澆灌。

（8）系統整合控制：本著有效提高產品的實用率、盡量減少成本讓功能最大化的目的，實現讓用戶僅需要在系統整合智能家居產品里，就可以做到燈光控制、電器控制、安防報警、背景音樂、視頻共享以及弱電信息等功能。

2.智能家居控制模塊功能設計

完整的智能家居系統包括5個部分：主控模塊、電器控制子系統、照明控制子系統、安全控制子系統和網絡控制子系統，5個部分功能上各司其職，邏輯上構成一個完整的控制實體。整個系統為人們提供智能、舒適、安全的家庭環境，同時提供遠程信息監控能力。

（1）主控模塊是智能家居的大腦，子系統是智能家居的四肢。主控模塊，負責子系統的信息集中、存儲、分析和決策。嵌入式芯片發展使主控模塊越來越精巧，功能日益豐富。

（2）電器控制子系統，負責監控電器的運行狀態，執行主控模塊的控制指令。網絡家電的發展掃清了不同家電的識別和互連的障礙，也簡化了電器控制子系統的設計。照明控制子系統，又名情景控制，核心是對光影和色彩的智能控制。該子系統控制燈光在角度、明暗、顏色等方面的組合以滿足不同的情景需求。該子系統也滿足時間控制概念，具有機械動作傳感器、人體移動傳感器和照度傳感器等。

（3）安全控制子系統，針對引起安全問題的諸多因素，起到防范和報警的作用，煙霧傳感器、溫度傳感器、一氧化碳傳感器負責環境安全控制;可視對講系統預防陌生人的干擾;門磁傳感器和窗磁傳感器起到防盜作用。遠程控制系統子系統，滿足家庭網絡和公共網絡的聯網控制功能。孤立的家庭網絡使智能家居大打折扣，而和GPRS網絡和Internet互聯，又使智能家居別樣精彩。

（4）主控模塊的功能和硬件設計

主控模塊要完成以下工作：和子系統的聯網、GPRS通信功能、以太網通信功能、顯示功能、監控軟件等。其中GPRS通信和以太網通信邏輯上屬于網絡控制子系統，這兩種功能是在主控模塊上實現的，一方面提高了集成度和穩定性;另一方面充分利用了主控模塊在硬件和軟件上的資源。

（5）主控模塊和子系統的CAN總線通信

主控模塊的處理能力有限，多個子系統和主控模塊由現場總線組網構成一個分布式控制系統。各個子系統在主控模塊的控制下協同工作。主控模塊和子系統之間主要傳輸信息流和控制流。主控模塊到子系統傳輸的主要是控制流，這些控制流完成子系統的配置或者命令子系統完成特定的任務。子系統到主機傳輸的主要是數據流，數據流主要包含子系統中各設備的運行狀態或傳感器數據等。主控模塊和子系統的通信可以采用有線方式或無線方式。

3.主控模塊的軟件設計

（1）主控模塊的軟件架構

智能家居主控模塊要完成4個子系統的協同工作，采用模塊化設計思想，需要4個軟件模塊分別處理4個子任務，主任務協調4個子任務正常工作。每個子系統又可以劃分成很多更細的任務。如果采用結構化的程序方法，程序設計非常復雜，系統會存在很多潛在問題。嵌入式硬件資源日益豐富，成本也較低廉，資源的增強使軟件有更多的資源可以利用。主控模塊的硬件資源非常豐富，軟件系統也非常龐大，軟件系統無法避免在訪問資源時遇到沖突、數據同步、數據交換的問題，所以需要一個嵌入式操作系統統一管理硬件資源，并對軟件開發提供良好的基礎環境，比如：內存管理、進程管理、存儲管理、文件系統、設備管理、消息機制、數據同步、數據交換、多線程、套接字等。操作系統雖然占據一定的存儲空間，但是給軟件開發帶來的便利更加可觀。

（2）主控模塊的主程序

智能控制主控模塊硬件上資源豐富，軟件上有Linux操作系統的支持，主控模塊的軟件開發運用了模塊化思想，模塊的劃分依據是高內聚低耦合，將邏輯上緊密耦合的一組功能劃分為一個模塊。模塊劃分結果以數據流圖呈現出來。安全控制子系統、電器控制子系統和照明控制子系統的數據流和控制流，通過CAN總線網絡傳輸到主控模塊，主控模塊的CAN通信監控子線程解析CAN網絡中傳輸的數據。主控模塊的數據分發處理器子線程根據數據的類型將數據分發到相應的數據處理程序。處理后的數據存儲到數據庫中，并在界面直觀顯示分析后的信息。

（3）網絡模塊在邏輯上是一個獨立的模塊，在實現上由于其特殊性是在主控模塊實現的。遠程PC通過Internet方式，手機通過GPRS方式將網絡流發送到網絡模塊，網絡模塊會調用網絡信息處理模塊處理網絡流，數據處理后或存儲或通過CAN總線轉發到其它控制子系統。

4.主控模塊的性能測試設計

主控模塊的性能主要體現在通信速度和通信質量。為了獲得這些參數，需要測試主控模塊和子系統之間的數據傳輸能力。測試方式是：無競爭點對點雙向數據傳輸測試;有競爭點對點雙向數據傳輸測試。測試指標是：傳輸時間和誤碼率。測試結果表明主控模塊和子系統之間的通信比較穩定，數據傳輸速率較高，可以滿足實時性要求。測試中誤碼率很低，一方面說明CAN協議的穩定性;另一方面由于在數據測試中的數據量較小，從而出現錯誤的概率就小。

5.結論

智能家居系統是一個復雜的系統，由于控制對象過多，單個智能控制系統無法完成控制任務，需要構成一個家庭控制網絡。智能控制系統主控模塊在網絡中起到調度和協調的作用。本文分析了家庭控制網絡的結構，提出了主控模塊的軟硬件模型和設計方案，提出了主控模塊和其他功能子系統聯網的一種實用通信方案。

參考文獻：

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[3]劉遠聰 等.基于物聯網智能家居網關系統的設計與研究[J].移動通信，2016，（22）.

佘盛波：衢州學院2019級物聯網工程技術業本科學生。資助項目：衢州學院大學生科技創新項目（項目編號：Q20X042）