基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂曉梅

（茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 茂名 525000）

1 智能家居的概念

廣義上的智能家居就是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)連接的家居設(shè)備系統(tǒng)。隨著當(dāng)前社會(huì)城鎮(zhèn)化、智能化、數(shù)據(jù)化的不斷發(fā)展，智能家居將成為家居生活的重點(diǎn)發(fā)展方向，也將在一定程度上改變?nèi)藗兊纳盍?xí)慣和方式。目前階段，國(guó)外比較流行的智能家居品牌有亞馬遜Alexa、蘋果HomeKit、Control4、三星SmartThings；國(guó)內(nèi)比較流行的智能家居品牌有小米智能家居、華為智能家居、海爾智能家居、美的智能家居、紫光物聯(lián)、揚(yáng)子智能家居、智飛智能家居等。

衡量一個(gè)智能家居系統(tǒng)是否成功，并不單純?cè)谟谥悄芑到y(tǒng)的先進(jìn)性、應(yīng)用數(shù)量以及集成程度，更取決于整體家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與配置是否能正常運(yùn)行且經(jīng)濟(jì)合理。因此，在進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不僅要充分了解用戶對(duì)智能家居的功能需求，還要依照國(guó)家和地方相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能拓展[1]。

2 整體方案

本方案以相對(duì)經(jīng)濟(jì)實(shí)用的Arduino UNO 開發(fā)板為主控制器；借助多類型傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)信息的采集；以顯示器、舵機(jī)、繼電器等為執(zhí)行單位，實(shí)現(xiàn)門禁、窗簾、燈光、家電等設(shè)備控制；借助ESP8266 Wi-Fi 模塊和巴法云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和交互；用戶借助手機(jī)App 直接就能遠(yuǎn)程控制智能家居。

借助多種傳感技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，智能家居控制系統(tǒng)可以智能實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境中關(guān)于溫度、濕度、光照、煙霧、人體紅外線等數(shù)據(jù)信息的采集，結(jié)合數(shù)據(jù)分析和智能“語(yǔ)言”控制燈光、舵機(jī)以及繼電器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開鎖、自動(dòng)解除門禁；智能窗簾、智能晾衣架、智能空調(diào)、電視、熱水器、燈光、溫濕度自動(dòng)顯示、煙霧報(bào)警等能滿足用戶的實(shí)際需求。手機(jī)聯(lián)網(wǎng)之后，借助巴法云物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，遠(yuǎn)程操作即可實(shí)現(xiàn)。要達(dá)到一種狀態(tài)：用戶通過(guò)遠(yuǎn)程控制提前對(duì)家居設(shè)備實(shí)現(xiàn)操作，到達(dá)門口，門禁通過(guò)射頻識(shí)別已打開，進(jìn)入房間，智能空調(diào)已經(jīng)將室內(nèi)溫濕度調(diào)整到最佳狀態(tài)，燈光柔和，室內(nèi)煙霧觸達(dá)一定標(biāo)準(zhǔn)，報(bào)警器自動(dòng)報(bào)警，提示用戶，及時(shí)消除安全隱患。智能家居控制系統(tǒng)的總設(shè)計(jì)方案如圖1 所示，整體智能家居控制系統(tǒng)方案要靠硬件和軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[2]。

圖1 智能家居控制系統(tǒng)總設(shè)計(jì)方案

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方案中的硬件系統(tǒng)包含環(huán)境檢測(cè)與顯示版塊、智能門禁版塊、智能燈光版塊、智能家電版塊、智能窗簾版塊、煙霧檢測(cè)與報(bào)警版塊、無(wú)線控制版塊等。

3.1 通信功能設(shè)計(jì)

通信是通過(guò)各節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)聯(lián)系，使用ZigBee實(shí)現(xiàn)。一定程度上，通信功能是智能家居控制系統(tǒng)最重點(diǎn)的功能之一。通信的穩(wěn)定性直接關(guān)系智能家居系統(tǒng)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制能否正常實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用ZigBee 技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)外界環(huán)境的抗干擾能力非常強(qiáng)。同時(shí)，ZigBee 技術(shù)還能最大程度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)，既能有效避免數(shù)據(jù)丟失，保證數(shù)據(jù)傳輸完整性，又能以最快速度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，保證數(shù)據(jù)時(shí)效。

3.2 采集功能設(shè)計(jì)

（1）信息檢測(cè)與顯示。借助DHT11 溫濕度轉(zhuǎn)換器和發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）顯示屏實(shí)現(xiàn)，其中溫濕度轉(zhuǎn)換器進(jìn)行家居環(huán)境信息數(shù)據(jù)的采集和傳輸，借助集成芯片實(shí)現(xiàn)顯示屏的實(shí)時(shí)控制。

（2）智能窗簾。利用光感電阻傳感器和舵機(jī)采集光照信息，當(dāng)光照信息到達(dá)提前設(shè)定好的闕值，舵機(jī)自動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)窗簾的智能控制。

（3）智能燈光。使用HC-SR505 人體紅外線傳感器和光敏電阻傳感器采集光線信息，結(jié)合提前設(shè)置好的闕值對(duì)光線強(qiáng)弱進(jìn)行智能判斷，自動(dòng)控制燈光開關(guān)。

（4）智能家電。主要借助的硬件設(shè)備是繼電器、LED 顯示屏和DS1302 時(shí)鐘。將手機(jī)App 的時(shí)間與DS1302 時(shí)鐘進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，用戶在手機(jī)App 中對(duì)家電的使用時(shí)間、使用時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行提前設(shè)定，當(dāng)具體家電到達(dá)啟用時(shí)間，自動(dòng)啟用，到達(dá)使用時(shí)長(zhǎng)自動(dòng)關(guān)閉。例如，用戶在手機(jī)上直接就可以設(shè)定18:00 開啟室內(nèi)空調(diào)，溫度選擇26 ℃，開啟時(shí)間為3 h，到家之后直接可以享受適宜的室內(nèi)溫度[3]。

（5）煙霧檢測(cè)與報(bào)警。煙霧檢測(cè)使用的是MQ-2 煙霧傳感器，自動(dòng)收集煙霧信息，測(cè)試室內(nèi)煙霧含量。當(dāng)室內(nèi)煙霧含量到達(dá)或超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)闕值，自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警。物聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)又可以將相關(guān)信息實(shí)時(shí)傳輸給用戶，讓用戶及時(shí)了解家居環(huán)境的煙霧情況，及時(shí)進(jìn)行處理。

（6）智能門禁。借助MF RC522 射頻識(shí)別功能和180°舵機(jī)硬件。射頻技術(shù)可以讀取IC 密匙，自動(dòng)判斷所使用的IC 卡是不是正確的IC 卡，識(shí)別正確，電機(jī)自動(dòng)操作，門禁打開；識(shí)別錯(cuò)誤，門禁無(wú)反應(yīng)。

（7）無(wú)線控制。主要指手機(jī)App 與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間的連接。利用Wi-Fi 和物聯(lián)網(wǎng)智能平臺(tái)，手機(jī)所發(fā)出的各種指令在物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議作用下自動(dòng)實(shí)現(xiàn)控制操作。Arduino 開發(fā)板在接收到相應(yīng)數(shù)據(jù)后，可以對(duì)邏輯結(jié)果實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判斷，指揮相應(yīng)版塊進(jìn)行操作。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)主要是用戶通過(guò)手機(jī)App 進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。軟件功能主要是動(dòng)態(tài)檢測(cè)、異常警報(bào)。設(shè)計(jì)人員要結(jié)合用戶需求、整體智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案以及硬件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。首先，用戶通過(guò)手機(jī)終端能正常向系統(tǒng)中心處理器發(fā)出控制指令；其次，處理器能準(zhǔn)確、快速實(shí)現(xiàn)信息接收和解析，并將當(dāng)前狀態(tài)下家居設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境和狀態(tài)信息及時(shí)傳輸給用戶；最后，當(dāng)家居設(shè)備狀態(tài)異常或者發(fā)生變化時(shí)，家居設(shè)備又能實(shí)時(shí)向中心處理器反饋信息，并自動(dòng)啟動(dòng)預(yù)警預(yù)案，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位，自動(dòng)化處理，相關(guān)數(shù)據(jù)同步用戶智能終端。

4.1 自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

開發(fā)主板借助多種類型傳感器，采集和處理人體紅外線信息、光照信息、溫濕度信息、門禁操作信息，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議形成自動(dòng)邏輯判斷，智能操控門禁、燈光、家電、窗簾，又能自動(dòng)控制LED 顯示屏進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)顯示[4]。

4.2 遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)

借助Wi-Fi，用戶手機(jī)軟件可以連接家庭網(wǎng)絡(luò)，借助網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)啟動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)系統(tǒng)。Wi-Fi 端口與Arduino UNO 開發(fā)板數(shù)據(jù)端口進(jìn)行連接，溫濕傳感器所采集和處理的溫濕信息數(shù)據(jù)自動(dòng)共享物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，煙霧傳感器所采集和檢測(cè)到的煙霧含量數(shù)據(jù)自動(dòng)共享物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，以此類推，用戶借助手機(jī)終端就可以實(shí)時(shí)了解家居環(huán)境中各項(xiàng)設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)，并結(jié)合自身需求對(duì)相關(guān)設(shè)備在手機(jī)終端發(fā)出控制指令，相關(guān)指令又通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸給Arduino UNO 開發(fā)板，開發(fā)板按照接收到的指令要求控制相對(duì)應(yīng)家電、門禁、窗簾、燈光等。智能家居軟件控制系統(tǒng)的傳輸流程如圖2 所示。

圖2 智能家居軟件控制系統(tǒng)的傳輸流程

4.3 手機(jī)App 的設(shè)計(jì)與開發(fā)

遠(yuǎn)程自動(dòng)控制手機(jī)移動(dòng)終端App 軟件的開發(fā)，版塊分配清晰且簡(jiǎn)單易操作。本智能家居系統(tǒng)會(huì)有2個(gè)設(shè)計(jì)頁(yè)面：第一頁(yè)面，手機(jī)用戶能直觀看到的頁(yè)面，提供官方功能實(shí)現(xiàn)組件，提供預(yù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，能滿足用戶的基本需求，也能根據(jù)用戶需要實(shí)現(xiàn)組件頁(yè)面的定制、美化和調(diào)整；第二頁(yè)面，邏輯頁(yè)面，進(jìn)行功能組件邏輯程序編輯，助力實(shí)現(xiàn)手機(jī)App各軟件功能。智能家居控制系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 智能家居控制系統(tǒng)

該App 軟件包含智能網(wǎng)關(guān)、溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧傳感器、可燃性氣體傳感器、光敏傳感器、電動(dòng)窗簾控制、智能門禁系統(tǒng)、空調(diào)、云攝像頭、智能電燈、智能高清電視機(jī)等。用戶既可以在手機(jī)App中實(shí)現(xiàn)對(duì)各種智能家居設(shè)備的遠(yuǎn)程操控，還能直接在手機(jī)App 商城找到自己所需要的家居用品，并實(shí)現(xiàn)購(gòu)買。軟件本身也提供遠(yuǎn)程控制教程以及一些智能場(chǎng)景模擬等功能，更方便用戶入門和使用。

5 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居發(fā)展趨勢(shì)

5.1 環(huán)境控制與安全規(guī)范

現(xiàn)階段，智能家居系統(tǒng)的研究還處在不斷完善和發(fā)展的階段。智能家居系統(tǒng)體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)化和個(gè)性化方面的種種不足也將成為未來(lái)智能家居系統(tǒng)“補(bǔ)短”的重點(diǎn)方向。標(biāo)準(zhǔn)化和安全化的理念未來(lái)也將貫穿智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的始終[5]。例如，在溫濕度調(diào)控、安全防范、影音遠(yuǎn)程控制等方面，會(huì)更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)的遠(yuǎn)程控制和集成，最大程度滿足用戶的個(gè)性化需求。

5.2 新技術(shù)應(yīng)用

未來(lái)，隨著社會(huì)環(huán)境的變化，各方面技術(shù)不斷更新和發(fā)展，智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)也必將與未來(lái)的新技術(shù)、新設(shè)備以及新工藝實(shí)現(xiàn)結(jié)合，將網(wǎng)絡(luò)通信、自動(dòng)控制、安全防范等技術(shù)的作用最大化發(fā)揮。此外，智能家居控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展和進(jìn)步還可能會(huì)引發(fā)未來(lái)IT 行業(yè)的新風(fēng)潮，最大化拓展其應(yīng)用范圍，助力智能家居的商業(yè)化發(fā)展。

5.3 與智能電網(wǎng)的結(jié)合

用戶住宅中，電網(wǎng)是基本需求，智能電網(wǎng)能為整個(gè)智能家居控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全方位服務(wù)。在手機(jī)移動(dòng)終端就可以實(shí)現(xiàn)全方位信息的接收和處理，能更進(jìn)一步地提升智能管理效用。

6 結(jié) 論

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)合是必然的發(fā)展趨勢(shì)，也能從根本上助力智能家居產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅要以市場(chǎng)為導(dǎo)向，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和個(gè)性化智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)，還要充分尊重用戶需求，確保控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能能切實(shí)滿足用戶體驗(yàn)。智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選擇的智能燈光、智能家電、智能門禁、智能窗簾、智能家居環(huán)境測(cè)試以及煙霧報(bào)警等模塊是基于對(duì)普通用戶的日常需求進(jìn)行充分調(diào)查及分析后確定的，經(jīng)反復(fù)測(cè)試，各模塊功能能順暢實(shí)現(xiàn)。后續(xù)隨著各方面技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，該控制系統(tǒng)的各方面功能將進(jìn)一步提升和完善。