智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙啟威

摘要：智能家居在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展速度越來(lái)越快，將成為未來(lái)居家生活的重要組成部分.鑒于智能家居發(fā)展的未來(lái)前景，越來(lái)越多的企業(yè)投入開(kāi)發(fā)智能家居系統(tǒng).在總結(jié)前人成果基礎(chǔ)上，以WIFI無(wú)線信息通信傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)通信方式設(shè)計(jì)的一款智能家居系統(tǒng).介紹了該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)、客戶(hù)端軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試要求.實(shí)踐表明，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，且能實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，可應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域.

關(guān)鍵詞：智能家居；控制系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)

引言

智能家居概念最早是由美國(guó)學(xué)者提出的，被稱(chēng)為SmartHome.智能家居作為新興產(chǎn)業(yè)正在成為市場(chǎng)的新寵兒。國(guó)內(nèi)智能家居市場(chǎng)發(fā)展迅速，由于智能家居實(shí)現(xiàn)家電、家居生活、互聯(lián)網(wǎng)等有機(jī)結(jié)合，因此也被視為“互聯(lián)網(wǎng)+”影響下科技對(duì)社會(huì)一大重要影。國(guó)內(nèi)已經(jīng)有不少企業(yè)投入巨資進(jìn)入智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域.實(shí)現(xiàn)智能家居的關(guān)鍵技術(shù)是總線技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)對(duì)家居住宅中的各類(lèi)家電、通信、安防等設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能管理與監(jiān)控。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代智能家居是居家住宅為平臺(tái)，以家中各種設(shè)備為控制對(duì)象，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、通信技術(shù)等技術(shù)構(gòu)建的家居智能控制系統(tǒng)。智能家居是實(shí)現(xiàn)生活智能化的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。

1智能家居的主要應(yīng)用

智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用之一，它以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日常事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)家是家居的重要組成部分，家電智能化控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和建設(shè)已被人們廣泛關(guān)注?；谀壳爸悄苁謾C(jī)Android操作系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，本文研制了一款基于Wi-Fi的智能家居系統(tǒng)，此系統(tǒng)具有電源管理、開(kāi)關(guān)控制、家電設(shè)備控制等功能，包括燈光系統(tǒng)、家電系統(tǒng)、遙控類(lèi)家電智能控制系統(tǒng)，在保留原來(lái)功能基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)本地?zé)o線控制和遠(yuǎn)程控制。

2基于WiFi技術(shù)的智能家居硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1WiFi無(wú)線通信技術(shù)

傳統(tǒng)的智能家居通常采用有線的通信方式，但是存在布線繁瑣、擴(kuò)展性能較差等問(wèn)題。隨著無(wú)線技術(shù)的普及，特別是云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，無(wú)線智能家居在其推動(dòng)下應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸發(fā)展壯大，已成為智能家居系統(tǒng)的首選。紅外通信技術(shù)、小于1GHz的射頻技術(shù)、ZigBee通信技術(shù)、WiFi技術(shù)、Z—Wave技術(shù)等是目前連接智能家居產(chǎn)品和移動(dòng)設(shè)備的主要手段。

無(wú)線射頻技術(shù)也已經(jīng)比較成熟，具有良好的穿透性、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，但其傳輸距離短、抗干擾性、安全性較差，且目前絕大部分應(yīng)用只能單向通訊。Wi-Fi技術(shù)突出的優(yōu)勢(shì)在于：其一，無(wú)線電波的覆蓋范圍廣；其二，傳輸速度很快，可以達(dá)到11mbps，符合個(gè)人和社會(huì)信息化的需求。而且基于Wi-Fi技術(shù)的無(wú)線局域網(wǎng)已經(jīng)日趨普及，因此常稱(chēng)為智能家居無(wú)線通信技術(shù)的首選。WiFi技術(shù)將智能家居的各類(lèi)家電設(shè)備、通信設(shè)備、安防設(shè)備高效地銜接起來(lái)，提供比傳統(tǒng)智能家居更舒適、安全、便捷的智能家居生活空間，提高了人們的生活方式，為用戶(hù)帶來(lái)了全新的家居生活體驗(yàn)。

1.2WiFi插座的控制原理

WiFi智能插座利用了現(xiàn)有家庭中的WiFi網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)客戶(hù)端操作打開(kāi)或者關(guān)閉指定的家電。可實(shí)現(xiàn)普通家電的智能化，即在傳統(tǒng)插座和普通家電之間安裝一個(gè)智能插座，通過(guò)WiFi接收智能終端發(fā)出的指令，自由的操控連接的設(shè)備。WiFi插座是由WiFi模塊、繼電器控制電路、繼電器和輸出觸點(diǎn)構(gòu)成。串口WiFi模塊根據(jù)接收到的控制指令控制繼電器的通斷，如圖1所示。

與普通的WiFi模塊相比，WiFi插座可進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線接收與發(fā)送，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的互相通信以及節(jié)點(diǎn)與Internet網(wǎng)絡(luò)通信。插座中內(nèi)嵌的單片機(jī)使普通的家電設(shè)備無(wú)需運(yùn)行在操作系統(tǒng)上就可運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)裸機(jī)驅(qū)動(dòng)；同時(shí)WiFi插座還內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議，具備了家庭網(wǎng)關(guān)的Internet網(wǎng)絡(luò)接入功能，家庭局域網(wǎng)與TCP/IP協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，家庭局域網(wǎng)中各種不同通信協(xié)議之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能，無(wú)需家庭網(wǎng)關(guān)，可隨意擴(kuò)充插座的數(shù)量，可擴(kuò)展性較強(qiáng)。

1.3基于WiFi技術(shù)的智能家居硬件系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于WiFi插座的智能家居系統(tǒng)由WiFi插座局域網(wǎng)、無(wú)線路由器、Internet網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)接入網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線控制端等組成。其工作原理主要通過(guò)智能終端（PC或者手機(jī)）利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制信號(hào)，收到信號(hào)的各類(lèi)傳感器設(shè)備通過(guò)觸發(fā)控制命令來(lái)控制智能插座的通斷，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)的控制。系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖如圖2所示。

采用WiFi插座局域網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制，即插即用，沒(méi)有復(fù)雜的安裝流程，無(wú)需單獨(dú)設(shè)立家庭網(wǎng)關(guān)，降低了智能家居的成本；可通過(guò)插座的隨意擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)家庭局域網(wǎng)的隨意擴(kuò)展與縮減，保護(hù)了現(xiàn)有的裝修環(huán)境；并利用無(wú)線終端對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)本地、遠(yuǎn)程的自由控制。

3性能測(cè)試

3.1基于WIFI的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成以后，還需要進(jìn)行全面的性能測(cè)試。通過(guò)智能家居系統(tǒng)硬件、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等全面的設(shè)計(jì)，構(gòu)建了基于WIFI技術(shù)的智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)對(duì)家居電器的智能遠(yuǎn)程控制，使生活更加舒適。智能家居的理念被提出已經(jīng)有很多年了。智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)智能家居理念至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。WIFI技術(shù)的發(fā)展的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)發(fā)展有著決定性影響，是智能家居系統(tǒng)更加安全、高效.基于理論提出的設(shè)計(jì)理念最終被廣泛推廣應(yīng)用，還需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的性能測(cè)試。系統(tǒng)性能測(cè)試的目的，一方面確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能能夠充分發(fā)揮作用；另一方面，全面的性能測(cè)試還能有效評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)在應(yīng)用中需要應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜的使用環(huán)境和使用條件，只有經(jīng)過(guò)全面的性能測(cè)試，才能真正適應(yīng)市場(chǎng)滿(mǎn)足廣大群眾的使用需要。

3.2為了測(cè)試手機(jī)控制家居的效果，在距離測(cè)試家居10公里外通過(guò)手機(jī)登錄家家居控制系統(tǒng)并發(fā)動(dòng)控制指令，測(cè)試運(yùn)行的服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸程序。結(jié)果證明手機(jī)軟件與中央控制器實(shí)現(xiàn)通信。

3.3對(duì)家居智能系統(tǒng)的性能測(cè)試要滿(mǎn)足信號(hào)傳輸穩(wěn)定、安全、準(zhǔn)確的要求，系統(tǒng)的各種家居設(shè)備的控制要靈敏有效。此次智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的測(cè)試家電以電冰箱、洗衣機(jī)、微波爐、電視機(jī)、監(jiān)控器等電器為主。對(duì)于使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的某個(gè)設(shè)備異常能夠及時(shí)預(yù)警。在滿(mǎn)足以上測(cè)試要求后，才是一套具有市場(chǎng)投放價(jià)值的智能家居系統(tǒng)。

本文對(duì)系統(tǒng)的性能測(cè)試由兩方面組成.一方面是基于實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)智能家居系統(tǒng)軟件進(jìn)行各項(xiàng)功能測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中設(shè)置一些影響因素，判斷系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。另一方面，在系統(tǒng)廣泛推廣前進(jìn)行必要的系統(tǒng)市場(chǎng)檢測(cè).要求不同年齡、不同區(qū)域的用戶(hù)進(jìn)行系統(tǒng)使用檢測(cè)。通過(guò)用戶(hù)的使用真實(shí)反映系統(tǒng)存在的不穩(wěn)定因素。最后，系統(tǒng)通過(guò)性能測(cè)試被廣泛推廣后還需要保留端口用于收集用戶(hù)的使用反饋，為系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)積累豐富經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)通過(guò)測(cè)試后就可投入使用。

結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款基于Wi-Fi的智能家居系統(tǒng)，由網(wǎng)關(guān)、智能終端組成內(nèi)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)、家庭路由器、Internet組成外網(wǎng)。操作時(shí)，手機(jī)APP發(fā)出指令后，最終經(jīng)家庭路由器到達(dá)網(wǎng)關(guān)，經(jīng)網(wǎng)關(guān)過(guò)濾后轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，系統(tǒng)同時(shí)保留了本地的所有操作功能，保證了用戶(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)作。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，操作可靠，達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)目的。

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