基于物聯(lián)網的智能家居控制系統(tǒng)設計探討

崔 凱

(河南省信息咨詢設計研究有限公司 綜合管理部，河南 鄭州 450008)

0 引言

近年來，隨著人們生活水平的不斷提高以及互聯(lián)網技術的不斷升級，人們對于智能家居服務的需求越來越強烈。通過將集射頻技術、計算機網絡、綜合布線、自動控制、安全防護成為一體，實現對家居環(huán)境和設備的遠程控制，能夠有效提高家居生活的便捷性與安全性。然而智能家居服務的關鍵在于設計出一套穩(wěn)定、高效的控制系統(tǒng)，物聯(lián)網技術在此期間發(fā)揮著不可或缺的作用?；诖耍斜匾晕锫?lián)網為基礎，建構一套穩(wěn)定、高效的智能家居控制系統(tǒng)，發(fā)揮其在現實生活中的實際應用價值。

1 物聯(lián)網與智能家居概述

1.1 物聯(lián)網概念

1985年，美國計算機專家LEWIS P T率先提出了“物聯(lián)網”的概念。最初設想是隨著互聯(lián)網的快速發(fā)展與廣泛普及，采用人工來獲取并上傳信息，必然會帶來傳輸異常、操作失誤的誤差問題，而且人工操作還會弱化信息傳輸的時效性，造成信息傳輸與應用的滯后。“物聯(lián)網”本著緩解人工壓力、信息自主流入物聯(lián)網的目的便應運而生，主要采用實際傳感器實時獲取和上傳信息，保證信息傳輸與應用的時效性和準確性。

物聯(lián)網與互聯(lián)網具有相似性特征，但區(qū)別是物聯(lián)網的終端是實現溫度傳感器、紅外線傳感器、光照傳感器之類的設備與嵌入式計算機系統(tǒng)的連接。這要為每一個擁有獨立應用功能的主體設置一個電子標簽，實現其上網的功能，而從個人的角度來說，則可以借助這一功能來實時監(jiān)測其參數、坐標的變化情況。這由此決定了其在智能家居系統(tǒng)中的應用價值情況。

1.2 物聯(lián)網特征

物聯(lián)網作為一個嶄新的應用技術系統(tǒng)，既從互聯(lián)網系統(tǒng)中延伸而來，又與互聯(lián)網呈現出鮮明的差異，具體表現為以下幾方面的特征。

1.2.1 傳感器技術

物聯(lián)網主要通過傳感器獲取物理量、化學量、生物量等豐富多樣的信息資源。物聯(lián)網中的“傳感器技術”首先具有明顯的數字化特征，即可以接收和轉化數字信號，從而獲取相關的信息內容。這既能大大降低傳輸的信息量，提高信息傳輸的質量和效率，同時也增強了信息傳輸的準確性，避免信息流失或者內容模糊的問題。其次具有多功能性特征，也即是涵蓋了光照、溫度、紅外線等各種各樣功能的傳感器設備，由此滿足了社會各領域、各項應用服務的差異化需求。再次是網絡化的特征，即與互聯(lián)網連接，可以適時上傳采集的信息，還可以適時觀測信息動態(tài)，靈活方便，即時快捷，且具有良好的互動性。

1.2.2 無線射頻識別技術

無線射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)技術，屬于無線通信的范疇，能夠將發(fā)出無線電信號的電子標簽置于觀測物體之上，可以實現對特定物體信息的觀測與物理定位。這一技術首先具有“非接觸識別”的特征，即無線電傳輸信號借助自由空間來進行自由化、跨域性的信號傳輸活動，從而消解了與監(jiān)測物體直接接觸的限制，大大拓展了其應用功能[1-3]。另外，無線射頻識別技術可以反復使用，可以修改甚至是直接刪除標簽上設置的信息內容，在重復應用的過程中，既降低了技術成本，又增強了信息管理的便捷性與高效性。這是增強物聯(lián)網廣泛性應用價值的關鍵所在。

1.2.3 Zigbee技術

Zigbee技術類似于傳統(tǒng)的無線藍牙技術，主要應用于近場信息接收與傳輸，而與無線藍牙技術相比，Zigbee的消耗功率更低，所使用的技術成本也十分有限，因此具有更廣泛的應用價值。進一步來說，Zigbee具有“低功耗”的特征，大部分情況下處于休眠狀態(tài)，幾乎不需要消耗電能，而且1 mw的發(fā)射功率足夠信號傳輸的需求，發(fā)射功率比較低，從而降低了該技術的耗電量。Zigbee還具有“設備容量大”的特征，可以同時接入多臺設備，而且網絡之間能夠互聯(lián)互通，增強了網絡通信工作的便捷性與高效性[4]。Zigbee技術的個性化特征，決定了其在智能家居系統(tǒng)中具有可靠性的應用價值。

1.3 智能家居特點

智能家居又稱為“智能住宅”，西方國家稱為“Smart Home”。早在1984年，美國便建立起第一幢智能建筑，于1988年推出世界上第一套適用于個人家庭環(huán)境的電氣自動化標準《家庭自動化系統(tǒng)與通訊標準》。隨后，其他發(fā)達國家也致力發(fā)展智能住宅事業(yè)，依據個性化的需求和技術手段而推出多樣化的智能家居方案，諸如“新加坡模式”的智能家居系統(tǒng)涉及安全報警模塊、三表自動統(tǒng)計模塊、監(jiān)控中心模塊、可視對講模塊、有線電視接入系統(tǒng)、室內家電控制模塊、家庭智能控制面板、住戶信息留言模塊、寬帶接入和軟件系統(tǒng)配置模塊、智能布線箱設備等，既有布設超前、系統(tǒng)的家居功能，又實現了對各項功能的智能化操作，被作為智能家居設計和建設的一個模板。1997年，我國印發(fā)了《小康住宅電氣設計(標準)導則》，明確提出小康住宅電氣設計應具備安全度高、生活環(huán)境舒適、通信方式便捷、信息服務綜合水平高、家居智能化能力強的標準，而且為住宅安全防范、設備自動化、網絡配置設定了理想目標、普及目標、最低目標三個標準。21世紀之后，隨著我國社會經濟的快速發(fā)展以及信息通信技術的迅速升級，尤其是我國政府積極倡導“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會的建設，極大地推動了我國智能家居的發(fā)展，形成了ZigBee無線網、Arduino和ESP8266多終端、語音控制技術、can總線、IntoRotot云平臺、STM32無線網絡的多樣化智能家居控制系統(tǒng)。這些充分彰顯出我國智能家居控制系統(tǒng)領域蓬勃發(fā)展的態(tài)勢，同時也反映了不同單位和個人對于智能家居功能服務、應用方式和控制技術的差異化追求和構想，從而很好地適應不同家居環(huán)境個性化的智能應用需求。

目前，我國智能家居控制系統(tǒng)雖然涉及差異化的智能家居功能服務、應用方式和控制技術，但具有以下幾方面的相同特征：①以滿足家庭住戶個性化的家居環(huán)境、服務需求、應用習慣為首要原則，必須具體問題具體分析，建構起針對性、個性化的智能家居控制體系，而這也導致當前社會上智能家居控制系統(tǒng)的設計和應用十分多樣；②要具備安全性、節(jié)能性、舒適性、便捷性的特征，為住戶營造良好的人居環(huán)境，這十分契合智能家居設計兼具“實用性”與“節(jié)能性”的發(fā)展趨勢，也是設計和發(fā)展智能家居的一個基本初衷；③要注重對最新通信技術、信息技術、網絡技術以及隨身終端設備的應用，不斷地提高智能家居控制系統(tǒng)的技術水平，增強智能家居控制系統(tǒng)的即時性、簡單化操作，由此才能進一步增強智能家居控制系統(tǒng)的普適性，方便人們的使用，也有效地推動智能家居控制系統(tǒng)的普及。正是基于這樣的原因，文章從物聯(lián)網的角度展開對智能家居控制系統(tǒng)的設計。

2 基于物聯(lián)網的智能家居控制系統(tǒng)設計

2.1 總體系統(tǒng)的設計

下面以物聯(lián)網的感知層、應用層、網絡層三層架構為基礎，介紹智能家居控制系統(tǒng)的設計。

從生活應用的角度來說，智能家居系統(tǒng)主要包括開發(fā)板Raspberry Pi和Arduino-UN0-R3、智能家居云平臺、Wi-Fi攝像頭、溫濕度傳感器、PM2.5傳感器、舵機等基本設備[5-6]，運用無線或者有線的方式建構起一套完整的智能家居控制系統(tǒng)，如圖1所示。Raspberry Pi端連接網絡，分析紅外線信息，解析遠程指令；Arduino-UN0-R3端搜集傳感器信息，觀察門禁狀態(tài)，控制電燈、插座情況；遠程控制端則實時監(jiān)測數據和發(fā)布控制命令。三大系統(tǒng)能夠實現對家居各方面應用功能的智能控制，展開家居監(jiān)測、遠程控制活動，進而提高家居生活的便捷性與安全性。

圖1 智能家居系統(tǒng)架構Fig.1 System architecture of smart home

2.2 選擇主體硬件

所設計的以物聯(lián)網為基礎的智能家居控制系統(tǒng)主要使用到了Raspberry Pi和Arduino-UN0-R3兩大硬件，同時加入了其他功能性硬件。

1)Raspberry Pi即“樹莓派”，簡稱為“RPI”，是一種采用Linux嵌入式系統(tǒng)的個性化應用價值的卡片式電腦。該硬件設備設置有USB接口、多樣化的GPIO接口、I2C接口，并且適用于C語言、Python等采用轉載Linux系統(tǒng)和相關的功能性應用軟件，可創(chuàng)造多樣化的應用價值[1-2]。為了提高所設計的智能家居控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與高效性，采用了樹莓派B+開發(fā)板，其使用Broadcom BCM2835設置SOC，更契合智能家居控制系統(tǒng)的功能性需求。

2)開發(fā)板Arduino-UN0-R3是一個比較簡單、易用的開源控制器，采用ATmega328設置處理器核心內容，安置有電源插座和USB接口，而且還設置有復位按鈕以及ICSP header功能。在設計智能家居控制系統(tǒng)過程中，通過串口將Arduino-UN0-R3與B+Raspberry Pi開發(fā)板連接起來。

3)文章所設計的基于物聯(lián)網的智能家居控制系統(tǒng)，還包括通信模塊、Wi-Fi攝像頭、LCD顯示屏、PM2.5模塊、DHT11模塊、RFID以及舵機驅動模塊等相關的設備。這些功能性設備可以選用市場中大眾化的硬件資源即可，因此文章對于這些硬件設備的選擇與應用不再過多贅述。

2.3 連接相關硬件

設計的基于物聯(lián)網的智能家居控制系統(tǒng)將主板Arduino-UNO-R3作為系統(tǒng)的主體控制模塊，隨后采用溫濕度傳感器DHT11和夏普PM2.5傳感器搜集相關的數據信息，并在硬件顯示屏LCD1602上進行顯示。采用串口將數據信息傳輸到B+Raspberry Pi開發(fā)板上面，當IC卡觸碰到RFID-RC522射頻識別模塊的過程中，控制舵進行運轉，最終會在屏幕上顯示卡中的相關信息內容，如圖2所示。

圖2 溫濕度傳感器DHT11的連接Fig.2 Connection diagram of humidity sensor DHT11

首先，MF RC522芯片采用同步串行的方式與主板控制模塊進行通信活動，前者是在從模式中工作，后者是在主模式中工作，RFID引腳RST、SS、MOST、MISO、SCK分別對應Arduino的引腳D5、D10、D11、D12、D13。其次，PM2.5是一個以紅外散射光學質量為基礎的傳感器設備，可以捕捉到塵埃反射光，最小能夠測量0.3微米的極小粒子，質量比較輕，體積也比較小，便于在家居生活中應用。DHT11是一個監(jiān)測溫濕度的傳感器，反應迅敏，性能穩(wěn)定，具有良好的抗干擾性效果，性價比也比較高，應用4針單排引腳的封裝方式。如圖2所示，DHT11的連接方式也相對比較簡單。SG90舵機是家居系統(tǒng)門禁模塊中的主體元件，主要是通過控制器發(fā)出PWM信號給系統(tǒng)內的電路，促進無核心的馬達進行轉動，進而采用減速齒輪帶動電位器的緩慢移動，如果電影差數值為0，電機系統(tǒng)會自動停止轉動。通過主控制系統(tǒng)控制舵機的運轉，從而實現打開或者關閉門禁的功能，實現對家居生活中門禁系統(tǒng)的智能控制活動。

2.4 選擇軟件系統(tǒng)

基于物聯(lián)網的智能家居控制系統(tǒng)離不開軟件的支持。依據功能的需要，在Linux環(huán)境下創(chuàng)作遠程監(jiān)控的軟件程序，采用Python創(chuàng)作軟件程序控制GPIO引腳電平的高低狀況，門禁系統(tǒng)主要由舵機控制，家居生活中的環(huán)境參數則是采用夏普PM2.5傳感器來搜集。首先，Linux擁有多樣化的版本，而且Debian的內核比較小，系統(tǒng)穩(wěn)定性比較高，系統(tǒng)資源消耗率比較低，因此將使用Linux中的Debian版本開發(fā)的遠程監(jiān)控軟件程序。其次，Python是一種以對象為主體的設計語言，其語言簡潔，易讀性強，可擴展性水平比較高，能夠將其他語言程序創(chuàng)作的軟件模塊有效地銜接起來，順利地實現預期的系統(tǒng)功能?；谶@樣的原因，文章將在Linux環(huán)境下創(chuàng)作遠程監(jiān)控的軟件程序，采用Python創(chuàng)作軟件程序控制GPIO引腳電平的高低狀況。

3 基于物聯(lián)網的智能家居系統(tǒng)模塊實現

3.1 Arduino端模塊的實現

Arduino端模塊作為基于物聯(lián)網的智能家居控制系統(tǒng)中的重要組成部分，主要是向開發(fā)板導入所設置的功能性使用庫以及預先定義的多樣化管腳，完成對舵機創(chuàng)建工作的操作活動。Arduino端模塊的設計代碼如下所示：

#include

#include //LCD

#include

#include //RFID

#include //調用Servo.h

servo myservo //創(chuàng)建舵機對象

int pos=0；//pos用于存儲舵機位置

LiquidCrystal_12G lcd_1(0x27,16,2);

int measure Pin=0;//傳感器 Arduino 的A0相連

3.2 Raspberry Pi端實現

主要使用Python開發(fā)Raspberry Pi端，可以充分借助此種開發(fā)語言便捷、高效的優(yōu)勢開發(fā)Raspberry Pi端，但不足之處是對十六進制數的操作比較麻煩，在這一部分使用的時間則相對比較多一些[3,7-8]。第一步是安裝紅外收發(fā)模塊lirc。第二步是采用Python語言創(chuàng)作遠程控制軟件程序，apt-get install python-pylirc II安裝pylirc庫，將lirc文件置于/etc/lirc/目錄的下面。第三步是http尋求響應。第四步是在RPI端上面使用“/dev/ttyACM0”的USB串口，服務器的地址可以設置為“WWW.lewei50.com”。

sudo apt-get install lirc

mode2-d/dev/lirc0

LIRCD_ARGS=″--uinput″

DRIVER=″default″

DEVICE=″/dev/lirc0″

/etc/init.d/lirc stop

irrecord -n -d/dev/lirc0 ～/lircd.conf

在此過程中，本文所使用的紅外解碼以及控制系統(tǒng)的核心代碼采用以下程序實現：

global Con

nb=btn.readButton()

if nb==′hello1′;

con |=(1<<4)#led1 on

if nb==′hello2′

con & = ～(1<<4) #led1 off

基于物聯(lián)網的智能家居控制系統(tǒng)中的控制幀的生成核心代碼采用以下程序實現：

if con is not lastcon:

team=′%d′%(con+32)

tem1=team.deconde(′hex′)

serialFromArduino.write(′xEBx91+tem1+′ emFFx23′)

lascon=con

系統(tǒng)內狀態(tài)幀解析核心代碼采用以下程序實現：

if(serialFromArduino.inWaiting()>0):

input=serialFromArduino.readline()

if input[0]==′xEB′and input[1]==′x90′)：

print″EB90″

Hum=int(input[2].encode(′hex′),16)

Temp=int(input[3].encode(′hex′),16)

……

控制系統(tǒng)內將即時數據傳輸至網絡系統(tǒng)的核心代碼采用以下程序實現：

s=socket.socket(socket.af_inet,socket.sock_stream)

s.settimeout(none)

s.connect((host,port))

post_data=post_sch.format(msg_len=len(msg),msg=msg)

3.3 溫濕度模塊的實現

加強溫濕度的監(jiān)控是智能家居系統(tǒng)不可或缺的功能。文章所設計的基于物聯(lián)網的智能家居控制系統(tǒng)主要采用DHT11溫濕度傳感器監(jiān)控家居環(huán)境中的溫濕度狀態(tài)，隨后再將搜集到的數據信息發(fā)送給主開發(fā)板Arduino，最終將解碼之后的溫濕度信息映射到LED顯示屏中，供用戶直觀地解讀和認知家居系統(tǒng)中的溫濕度情況。依據這一模塊的功能性需求，其主程序代碼設計為

#include

#include ″DHT11.h″

void setup() //初始化

{

Serial.begin(9600); //設置波特率

DHT11_Read(); //讀取溫濕度

delay(1000) //設置延時

}

void loop() /Arduino 主程序

DHT11_Read()

serial.print(″humi=″)

serial.print(humi_buffer_int)

……

4 基于物聯(lián)網的智能家居系統(tǒng)的測試

通過以上分析可以看出，基于物聯(lián)網的智能家居系統(tǒng)是一個十分復雜的體系，既涉及多樣化的硬件資源，同時也植入了多個軟件程序，協(xié)同實現預先設定的多樣化應用功能。為了保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實效性，在具體應用之前有必要進行一次嚴格的系統(tǒng)測試，發(fā)現可能存在的問題，并進一步完善智能家居控制系統(tǒng)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實效性[9]。

首先，依據上文提出的方案，購置相關的硬件資源，編寫相關的軟件程序，隨后依據圖1智能家居總體系統(tǒng)，連接好各個硬件資源，形成一個完整的智能家居物聯(lián)網的硬件系統(tǒng)。其次，在“樹莓派”Arduino IDE中植入預先編創(chuàng)好的各個模塊的軟件程序代碼，控制DHT11和夏普PM2.5搜集家居環(huán)境中的溫濕度信息和粉塵信息方面的數據資源，進而將搜集到的信息發(fā)射到“樹莓派”Arduino IDE之中。再次，采用智能家居云平臺體系進一步實時、準確地監(jiān)測各個應用功能模塊的數據傳輸、分析、顯示的即時性、穩(wěn)定性與準確性[10-11]。在完成了對整個系統(tǒng)的測試工作后發(fā)現，文章設計出的基于物聯(lián)網的智能家居系統(tǒng)可以準確地監(jiān)測室內的溫濕度狀況，能夠有效地控制家居門禁的開啟與閉合，可以準確地調解家居室內的環(huán)境狀態(tài)，終端LCD監(jiān)測顯示也比較正常，能夠根據指令準確、即時、全面地反映系統(tǒng)傳輸的相關信息。而且從宏觀層面來說，整個系統(tǒng)運行比較順暢，功能比較穩(wěn)定，結果也比較準確，由此也充分反映了文章設計的基于物聯(lián)網的智能家居系統(tǒng)的實效性與應用價值。

5 小結

物聯(lián)網主要是采用實際傳感器即時地獲取和上傳信息，保證信息傳輸與應用的時效性與準確性。物聯(lián)網的特征集中表現在傳感器技術、無線視頻識別技術、Zigbee技術，由此成就了其獨特性的功能特色和普遍的應用價值，為應用于智能家居控制系統(tǒng)奠定了技術基礎。文章以物聯(lián)網感知層、應用層、網絡層三層架構為基礎，采用Raspberry Pi和Arduino開發(fā)其系統(tǒng)，最終建構了一套包括開發(fā)板Raspberry Pi和Arduino-UNO-R3、智能家居云平臺、Wi-Fi攝像頭、溫濕度傳感器、PM2.5傳感器、舵機等基本設備，運用無線或者有線的方式建構起一套完整的智能家居控制系統(tǒng)。經測試，該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性與功能性價值。