智能聯網家居控制系統的設計與實現

鄭國權

（廣東省嶺南師范學院 廣東省湛江市 524043）

智能聯網家居控制系統是一種具有集成性、智能化、自動化等諸多特點的先進系統，其構成復雜，設計要點也要從多個角度出發去進行總結。文本主要從設計目標、框架設計以及實際框架設計兩個方面出發，基于智能化、自動化控制理念去討論智能聯網家居控制的設計重點，望在設計工作中給予一定的參考。

1 智能家居控制系統的設計目標

1.1 實現家居設備的多類型互聯控制

根據當前的智能家居技術發展現狀來看，目前的智能家居控制系統，普遍使用分散管控的方式，這種控制方式，最主要的缺陷在于需要針對不同的系統進行分別監管與控制，導致系統控制的難度更高。因此在技術創新方面，重點在于開發能夠實現多設備網絡互聯以及多電器接口互聯的統一聯網，這樣才能擺脫單獨控制的局限。通過總結不同電氣系統的特征，我們能夠發現電氣系統的部分共同特性，這將成為系統集成的關鍵。用電設備需要設置開關，在設計時，可以使用二進制的0和1來去表示系統的開與關這兩種狀態。而其他的參數則需要額外添加，因此首先可以整合多個系統的基本開關控制，實現多設備的遠程、實時開關控制。而其他的系數調整，包括溫度調整、亮度調整等等，則可額外增加控制字段去實現針對性的控制。

1.2 實現遠程的多系統監控

智能家居系統要利用多種監控方式，隨時收集系統運行的相關信息，才能實現系統的自動化控制目標。為了保證系統的穩定運行，要借助于多樣化的系統遠程監控方式，確保多個設備系統的運行狀態能夠實現實時監管，為系統的自動化、智能化控制決策提供依據，這樣才能讓客戶即便不在家中也能方便快捷地控制家中的用電系統。而對比以往與當今不同的遠程系統控制方式，我們能夠發現當今遠程控制的優勢。首先是以往的手持遙控設備控制方式。能夠實現特定范圍內的遠程設備控制，用戶在家中，利用遙控器，可以在一定距離內完成對家中用電系統的控制操作，但是這一控制方式必須要利用遙控設備去完成，而且控制的范圍往往是十分有限的，最重要的是系統的運行狀態是需要用戶自己去監管的。而Irnet網絡監控方式則允許用戶使用移動終端去遠程查看家中電氣設備的運行狀態，并且不限制用戶的監管范圍，只要客戶所在位置有網絡信號，允許使用網絡，用戶便能夠輕松控制家中所有的用電設備。最后是GPRS遠程監控方式，這是基于網絡通訊技術以及定位技術所產生的監控方式，同樣具備擺脫時間與空間局限的便利性，用戶在有信號的情況下，編輯一條短信，便能輕松控制家中用電設備。

1.3 可靠的系統報警功能

系統的預警功能，是保證系統安全以及使用者自身安全的基礎功能。在智能家居系統的設計過程中，更要重視系統的預警功能體現，才能做到防患于未然，在系統運行過程中規避風險。而為了不斷收集設備的運行信息，為預警系統提供判斷與發送預警信息的依據，必須要在系統當中加設傳感器，包括紅外監測裝置以及門磁緊急按鈕等等。感應裝置負責感知系統運行的狀態，收集系統運行的信息，并且持續輸送到控制端，在感應裝置感知的信息出現異常時，則要第一時間向用戶以及控制端第一時間發送預警信號，如用戶方面無反應，在系統運行陷入緊急狀態時，系統則會做出自動化的控制動作。不同類型的感應裝置，主要適用于檢測不同系統的運行狀態。例如紅外線感應裝置則主要用于檢測燃氣系統的泄漏以及火災煙霧等等。

圖1：智能家居系統模塊劃分示例圖

1.4 友好的人機交互功能

人機交互的友好度，決定著智能家居系統在社會大眾群體中的認同度。雖然隨著科學技術的不斷發展，先進的技術逐漸滲透到大眾的生活當中，但是依然不乏有許多群眾對智能化、信息化設備的操作不熟悉而導致無法接受的問題。雖然智能家居系統，能夠為社會大眾的生活帶來巨大便利，同時也能夠大幅度減少不必要的能源消耗，但是如果操作選項過于復雜，人機交互的友好度不高，則只會給大眾帶來更多困擾。而集成化、智能化的系統設計，則能夠允許用戶使用更加簡單的方式去實現系統控制操作。智能家居系統提供了一系列的人機交互接口，也提供了不同的人機交互方式。從按鈕控制、觸屏控制，到如今的語音控制，多種人機交互方式的產生，滿足了用戶的不同控制需求。

2 物聯網智能家居系統總體框架設計

2.1 系統整體結構與模塊劃分

智能家居的控制終端可集成以下幾個設備。其一是常用功能。智能化的控制終端，能夠為智能家居設備提供多個系統接口，并且為不同設備分配唯一的ID，做好設備識別，進而實現對多個設備的基本功能控制。基本的功能包括設備的開關開啟與關閉、設備狀態的查看以及參數設定。其二是安防功能。智能制終端關聯家居安防監控設備，包括門禁煙感裝置、紅外探測裝置等等，能夠實現事故風險的第一時間預警以及自動控制，進而規避風險，為實現緊急病情預警，還可設置緊急醫療預警裝置，方便急病預警。其三是遠程監控功能。要結合Irnet與GPRS技術，為用戶提供移動設備控制的不同渠道，包括專門的網絡信息端口遠程管控以及手機信息遠程管控等等。圖1為智能家居系統模塊劃分示例圖。

2.2 主要硬件的選型

2.2.1 核心處理器

圖2：智能家居網關的結構示例

核心處理器如同是系統的心臟，決定著系統能否正常運行。本文所談及的智能家居控制系統，因其構成包含大量的信息輸入輸出接口、大量通用異步收發傳輸器接口以及多個URTA/D轉換器。所以使用通用DMA控制器LPC2378更為合理。因LPC2378的接口豐富且性價比高，能夠適應多設備接口的應用環境，滿足網絡協議的轉換需求。

2.2.2 基于RS-485總線的物聯通信

作為一種多點差分數據傳輸的電氣規范，RS-485總線通信接口能夠實現在雙絞線上的多點雙向信息傳輸與接收，同時能夠有效提升信息傳輸的效率、傳輸的精準性并且控制噪聲。其最主要的特點是在硬件的接口設置上相對更加簡單，且總線連接的所有設備只能有其一是處于發送狀態，其他的設備則一直為接收狀態。系統網絡是由多個單片機構成的串行通訊網絡，從機在運行過程中被動發送特定的控制命令或是數據，在必須要主動發送指令與參數時則需要使用主機進行控制。RS-485總線接口使用兩種接線方式去滿足不同的功能，這樣才能真正實現多點的、雙向的信息傳輸。而四條接線的模式則普遍適用于一對多的信息傳輸。本文所談及的RS-485總線物聯網絡通信使用嵌入式處理器，家居設備則是受處理器控制的從設備。系統輸出與組合電路的單片機控制器引腳相關聯，對引腳高低平的跳變進行監測，進而改變系統的接入狀態。信號調理路功能主要是指對智能電器的總中電信號與輸出電平進行隔離，同時轉換信號的形式。利用SN5176芯片，能夠實現單片機串行向RS-485口的轉換，進而達成設備與串口的通信。RS-485網絡結構的總線控制單元使用嵌入式的ARM芯片，通用總線與傳輸網絡的融合能夠拓展信息傳輸的舉例，同時能夠降低成本，進而更好滿足家庭用戶的設備互聯控制需求。

2.2.3 以太網通信

本文所談及的智能家居系統，其設計基于10/100M以太網模塊，為了保證系統的信息收發效率，使用了存儲器直接訪問的硬件去優化數據包的傳輸速率。太網模塊主要構成是用簡化媒體獨立接口連接PHY芯片。太網模塊的框圖構成主要包括以下幾個部分。

（1）總線接口。這一接口連接直接存儲器訪問接口以及AHB總線。以確保模塊能夠順利讀取靜態隨機存取存儲器，完成對描述符的讀取與寫入，完成數據的緩沖。

（2）主機寄存器模塊，其主要的作用是對以太網運作方式的設置，借助讀取寄存器，能夠實時監測以太網的運行信息、異常信息等等。

（3）簡化媒體獨立接口，其主要負責完成與單路物理層(PHY)器件的信息傳輸。

（4）DMA方式的數據收發。這一數據收發方式，能夠實現總線與數據緩沖區之間的信息互通。圖2為智能家居網關的結構示例。

2.2.4 基于GPRS的遠程報警

遠程報警功能，是當今的智能家居系統所要具備的基本功能。基于GPRS技術進行設計，能夠保證信息監測以及預警的精準性、可靠性。遠程的監測與預警網絡，其構成主要包括監控中心、現場的數據監測與采集終端以及GPRS服務中心。現場的數據監測與采集終端主要負責收集設備運行過程中的運行狀態以及安全相關信息，在完成信息收集后，第一時間傳輸至監控中心，通過監控中心去迅速分析所采集的數據，做出判斷與決策。如果監控中心接收到了來自現場數據監測與收集終端的異常信息，完成了數據分析后，則可以啟動遠程預警程序，通過GPRS服務中心發出預警信息，最大程度減少事故的影響。本文系統的GPRS模塊結構緊湊，具備同時提供四級編碼以及10級多時隙的能力。該模塊具有諸多優勢，其一是該模塊的功耗小，因該模塊使用內嵌TCP/IP協議，能夠實現有效提升信息傳輸的速度。RS-485總線網絡結合遠程預警系統，能夠在實現遠程預警的同時達成智能化、自動化控制的目標。其二是該模塊的體積小，雙列的直插式對板連接器能夠適應不同的模塊尺寸要求。

3 結語

智能家居控制系統的普及，在社會的節能與便捷追求下已經成為了必然趨勢。而為了體現出智能家居系統的諸多優勢，則需要針對其設計要點展開更加深入的探討，在當今的技術發展趨勢下，這一課題的討論，是探尋未來技術發展方向的必要一步。