軟件可定義智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

包依勤++袁杰

摘 要：當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，智能家居逐漸流行。由于費(fèi)用問題和維護(hù)問題，智能家居真正投入使用的大多是高檔小區(qū)、別墅及一些特殊場(chǎng)合。我國(guó)是人口大國(guó)，大多數(shù)家庭還未體驗(yàn)到智能家居帶來(lái)的便捷性和安全性。文中設(shè)計(jì)的系統(tǒng)軟件可定義智能家居根據(jù)用戶家庭需求、用戶習(xí)慣提供服務(wù)，具有成本低、效率高、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。系統(tǒng)由云服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、采集器、移動(dòng)端等組成，除遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)家電控制外，系統(tǒng)云平臺(tái)上還產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，可通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分析用戶習(xí)慣，從而產(chǎn)生較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能家居；可定義；大數(shù)據(jù)；云計(jì)算

中圖分類號(hào)：TP368；TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）10-00-03

0 引 言

目前，我國(guó)只擁有幾十萬(wàn)使用智能家居的家庭，究其原因，安裝智能家居需要花費(fèi)巨額費(fèi)用，對(duì)于普通家庭而言難以承受，因此較多用于高檔小區(qū)、別墅及一些特殊場(chǎng)合，從而影響了家居智能化的推進(jìn)速度。我國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)，普遍家庭目前尚未體驗(yàn)到智能家居帶來(lái)的便捷和安全。所以應(yīng)順應(yīng)實(shí)際情況，建立一個(gè)低成本，高效率的智能家居系統(tǒng)，方便更多的家庭體驗(yàn)和使用。

通過軟件定義智能家居能夠很好地解決上述問題，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、安防等全方位的管理，不僅給家庭用戶帶來(lái)了便捷的體驗(yàn)，還能讓用戶體驗(yàn)到個(gè)性化服務(wù)。本設(shè)計(jì)通過研究物聯(lián)網(wǎng)、云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)等研發(fā)出一套可定義的控制平臺(tái)，能有效控制智能家居的成本，并提升其可擴(kuò)展性與可維護(hù)性，極大地削減了安裝及維護(hù)費(fèi)用，為用戶提供便捷且安全的服務(wù)，主要包括以下幾方面：

（1）可定義家居控制方式，選擇本地或遠(yuǎn)程控制；

（2）軟件可定義房間個(gè)數(shù)、房間名稱、房間背景，如客廳、書房、臥室等；

（3）軟件可定義家電個(gè)數(shù)、家電位置，如電燈、窗簾、電視、空調(diào)等；

（4）軟件可定義傳感器，如CO2、甲醛、PM2.5傳感器等。

1 軟件可定義智能系統(tǒng)的架構(gòu)

軟件可定義智能家居系統(tǒng)采用集中式信息處理模式，其架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要由上層、中間層、底層構(gòu)成。上層由云服務(wù)器、手機(jī)App構(gòu)成；中間層是家庭網(wǎng)關(guān)；底層由控制臺(tái)、傳感器、控制面板、電器設(shè)備、開關(guān)等構(gòu)成。軟件可定義智能家居，用戶通過手機(jī)App遠(yuǎn)程控制家電，數(shù)據(jù)流經(jīng)云平臺(tái)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，便于云平臺(tái)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析。家庭網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的中間樞紐，向上與云服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)連接，接收用戶發(fā)出的命令，向下與控制器連接，轉(zhuǎn)發(fā)上層發(fā)出的命令。底層控制器通過物理方式連接所有的傳感器、控制面板、家電開關(guān)等，完成真正的開關(guān)控制和數(shù)據(jù)采集。

底層控制臺(tái)包含多種物理接口，如RS 232、RS 485、無(wú)線、32個(gè)通用IO口，可連接多種傳感器、控制面板、家用電器、開關(guān)等。軟件可定義由控制器通過物理方式連接的電器和傳感器，在手機(jī)App上進(jìn)行定義設(shè)置。家庭網(wǎng)關(guān)具有可視化界面，可顯示傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和家用電器開關(guān)狀態(tài)，同時(shí)可在網(wǎng)關(guān)界面上控制家用電器。

2 控制臺(tái)的設(shè)計(jì)

控制臺(tái)采用Philips公司生產(chǎn)的LPC2132作為CPU， LPC2132具有片內(nèi)8 KB RAM和片內(nèi)64 KB的程序Flash，具有2個(gè)串口，多個(gè)I2C和SPI接口，還擁有64個(gè)管腳?？刂破魍ㄟ^COM0與家庭網(wǎng)關(guān)連接，COM1通過串口轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成RS 485，再通過RS 485總線與傳感器連接?？刂破飨蛏辖y(tǒng)一采用Modbus規(guī)約，向下的規(guī)約可能會(huì)因?yàn)閭鞲衅鞯牟煌煌?，需要再定義。家庭網(wǎng)關(guān)與云平臺(tái)的通訊采用TCP Socket，統(tǒng)一采用Modbus規(guī)約。

2.1 通訊規(guī)約

控制臺(tái)上行通訊采用Modbus規(guī)約，便于網(wǎng)關(guān)的實(shí)時(shí)采集，同時(shí)也保證了系統(tǒng)的可靠性。Modbus規(guī)約幀格式見表1所列， 功能碼見表2所列。由于將傳感器作為寄存器，故定義為多路寄存器，在設(shè)計(jì)中通過功能碼10實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集。

2.2 傳感器和控制面板

傳感器技術(shù)是實(shí)現(xiàn)測(cè)試與自動(dòng)控制的重要環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)中被作為一次定位，其主要特征是能準(zhǔn)確傳遞和檢測(cè)出某一形態(tài)信息，并將其轉(zhuǎn)換成另一種形態(tài)信息。在智能家居系統(tǒng)中，傳感器信息包括PM2.5、CO2、甲醛等，控制臺(tái)中實(shí)時(shí)采集和保存?zhèn)鞲衅餍畔?，用戶足不出戶便可知道家中的環(huán)境狀態(tài)?？刂泼姘迨且粋€(gè)智能開關(guān)，相當(dāng)于一個(gè)傳感器，可通過命令實(shí)現(xiàn)狀態(tài)采集和遠(yuǎn)程控制等。

3 家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

家庭網(wǎng)關(guān)基于Android操作系統(tǒng)，具備多個(gè)串口和一個(gè)無(wú)線WiFi網(wǎng)口。串口與控制臺(tái)相聯(lián)，WiFi無(wú)線網(wǎng)口與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)，通過軟件技術(shù)完成網(wǎng)關(guān)通訊的功能。從而在家庭內(nèi)部各種家電信息共享的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了基于Internet的資源共享，在加深共享深度的同時(shí)擴(kuò)寬了網(wǎng)絡(luò)廣度，這將是軟件可定義智能家居系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)。家庭網(wǎng)關(guān)主要具有家電控制、傳感器信息共享等功能。

3.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面

當(dāng)傳感模塊傳來(lái)的數(shù)據(jù)超出設(shè)定值范圍時(shí)會(huì)變成紅色。當(dāng)處于紅色狀態(tài)時(shí)，由于網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)監(jiān)控，因此會(huì)發(fā)出報(bào)警，提醒家庭用戶。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面如圖2所示。

3.2 智能控制界面

通過家電控制單元，用戶可打開和關(guān)閉特定家電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的控制，且該模塊會(huì)通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)傳入移動(dòng)客戶端手機(jī)App上，方便用戶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)了解家電的開關(guān)狀態(tài)。智能控制界面如圖3所示。

4 手機(jī)App軟件的設(shè)計(jì)

4.1 軟件可定義功能

4.1.1 背景可定義

該功能不同于傳統(tǒng)的智能家居，由于家家戶戶的布置和樣式都不一樣，因此手機(jī)應(yīng)用十分個(gè)性化，所以在App軟件中需實(shí)現(xiàn)背景的可定義?？赏ㄟ^拍照將自家房間做為軟件背景，直接模擬家庭樣式，效果更直觀。大廳控制界面如圖4所示。

4.1.2 家電位置可定義endprint

不同家庭的家電位置不一樣，也可移動(dòng)，比如電視機(jī)之前安裝在南墻上，而現(xiàn)在移動(dòng)到了北墻上，所以需要通過軟件自定義家電的位置。無(wú)論家中因?yàn)檠b修或其他原因需要改變家電位置，都可以通過軟件實(shí)現(xiàn)家電位置的定義，家電位置如圖5所示。

4.1.3 房間可定義

不同家庭戶型不一樣，我們可設(shè)置房間個(gè)數(shù)和房間名，如圖6所示。設(shè)置完成后界面顯示如圖7所示。

4.1.4 家電可定義

傳統(tǒng)的智能家居若新增或改動(dòng)設(shè)備十分困難，需要從軟件修改方面入手，而文中設(shè)計(jì)的軟件可定義智能家居系統(tǒng)只需用戶動(dòng)動(dòng)手指就能在上面增加或修改，實(shí)現(xiàn)了家電管理的可定義。設(shè)置界面如圖8所示，客廳節(jié)點(diǎn)（相當(dāng)于電器）顯示界面如圖9所示。

4.1.5 組合開關(guān)可定義

若用戶想同時(shí)開關(guān)兩個(gè)、三個(gè)或者更多設(shè)備時(shí)，只需要?jiǎng)?chuàng)建組合控制即可，實(shí)現(xiàn)了組合開關(guān)的可定義。

4.1.6 信息狀態(tài)同步的可定義

家里的家電運(yùn)行狀態(tài)可以同步到移動(dòng)客戶端，方便用戶實(shí)時(shí)了解家電的狀態(tài)。

4.2 軟件流程

手機(jī)App流程如圖10所示。

5 云平臺(tái)設(shè)計(jì)

云平臺(tái)是一套基于J2EE開發(fā)的服務(wù)器系統(tǒng)，布置在阿里云上，采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，客戶端手機(jī)App與服務(wù)器通過HTTP請(qǐng)求JSON格式通訊。這種結(jié)構(gòu)將大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，使得開發(fā)、維護(hù)等幾乎所有工作都集中在服務(wù)器端，可有效保護(hù)數(shù)據(jù)平臺(tái)、管理訪問權(quán)限和服務(wù)器數(shù)據(jù)。在TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常進(jìn)程間的通信采用客戶/服務(wù)器模式（Client/Server Model），所以本系統(tǒng)也采用這種模式實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和手機(jī)客戶端的數(shù)據(jù)交互。本系統(tǒng)服務(wù)器的整體架構(gòu)如圖11所示。

6 系統(tǒng)主要特點(diǎn)

（1）系統(tǒng)采用的通信技術(shù)包括有線通信和無(wú)線通信，可根據(jù)家庭情況而定，新裝修的家庭建議采用有線通信，重新改造的家庭建議采用無(wú)線通信，系統(tǒng)中可定義這兩種方式。由于其具有低成本、低功耗、較遠(yuǎn)的覆蓋范圍及通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此必將成為智能家居系統(tǒng)中的一個(gè)亮點(diǎn)，同時(shí)也將為現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)帶來(lái)一場(chǎng)新的變革。

（2）系統(tǒng)采用嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)，家庭網(wǎng)關(guān)具有本地服務(wù)功能，移動(dòng)終端可連接網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和共享功能，移動(dòng)終端也可通過云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制、檢測(cè)、判定（判斷傳感器上的數(shù)值是否超過限定安全數(shù)值）等功能。

（3）系統(tǒng)采用軟件可定義技術(shù)，通過Android系統(tǒng)來(lái)定義智能終端軟件，也可根據(jù)用戶需求定義功能、界面等。其擁有可擴(kuò)展性強(qiáng)、界面清楚、方便控制、使用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，而這也是軟件可定義智能家居系統(tǒng)獨(dú)有的功能。

7 結(jié) 語(yǔ)

本系統(tǒng)不僅改進(jìn)了傳統(tǒng)智能家居中存在的安裝、維護(hù)困難等缺憾，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的個(gè)性化。該系統(tǒng)主要通過軟件可定義實(shí)現(xiàn)對(duì)家居界面?zhèn)€性化和家電信息的控制，并可實(shí)時(shí)返回信息。無(wú)論用戶身在何處都可隨時(shí)隨地了解家中家電的開關(guān)情況。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)精確的將傳感器數(shù)據(jù)返回到手機(jī)應(yīng)用上，一旦超過預(yù)期所設(shè)的數(shù)據(jù)將會(huì)發(fā)出報(bào)警。本系統(tǒng)在安全方面和報(bào)警方面已基本完善，具有成本低、維護(hù)和擴(kuò)展簡(jiǎn)便、易操作等優(yōu)點(diǎn)。

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