基于物聯(lián)網(wǎng)的人性化智能家居系統(tǒng)研究*

陳耿新 陳鴻彬 龔綠綠

（1.揭陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2.揭陽(yáng)市二八智能家居有限公司）

0 引言

智能家居利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將住宅中各種設(shè)備，如家電、照明設(shè)備、安防系統(tǒng)、家庭影院等，通過(guò)各種通信網(wǎng)絡(luò)連接到一起，提供并集成家電控制、照明控制、安防報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)、暖通控制、遠(yuǎn)程及現(xiàn)場(chǎng)控制等多種智能化功能。智能家居為人們提供集系統(tǒng)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境[1]。智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及企業(yè)均對(duì)其做了大量的理論與工程應(yīng)用研究。Thinagaran Perumal（2011）等提出了一個(gè)互操作性強(qiáng)的智能家居系統(tǒng)框架，使智能家居系統(tǒng)各種控制方式協(xié)調(diào)、聯(lián)合、統(tǒng)一執(zhí)行[2]，但該系統(tǒng)模型未得到實(shí)際工程應(yīng)用。Fei Lu（2012）等研究一個(gè)指示機(jī)器人活動(dòng)的智能家庭環(huán)境，該智能環(huán)境由智能設(shè)備、智能人工標(biāo)志、智能家居服務(wù)器、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等主要部分組成，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)與環(huán)境智能結(jié)合[3]，其僅限于機(jī)器人應(yīng)用。國(guó)內(nèi)研究人員主要專(zhuān)注于基于ZigBee的智能家居及網(wǎng)關(guān)的研究與開(kāi)發(fā)，但大多未應(yīng)用到實(shí)際工程[4-7]。國(guó)外微軟、IBM、三星、霍尼韋爾和國(guó)內(nèi)上海索博、深圳波創(chuàng)、海爾等企業(yè)都進(jìn)入智能家居的研發(fā)領(lǐng)域并推出相關(guān)產(chǎn)品，系統(tǒng)大多采用有線、無(wú)線結(jié)合的通信方式，產(chǎn)品成本高、性?xún)r(jià)比低、無(wú)線覆蓋能力有限[8-9]。

本文首先根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)模型構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的人性化智能家居系統(tǒng)架構(gòu)，分析其3層模型各層次的功能及特點(diǎn)，進(jìn)而研發(fā)系統(tǒng)的中轉(zhuǎn)器、壁式智能控制終端、基于Android的智能控制終端。在此基礎(chǔ)上，搭建整個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)的人性化智能家居系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制及現(xiàn)場(chǎng)控制測(cè)試。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖 1為基于物聯(lián)網(wǎng)的人性化智能家居系統(tǒng)架構(gòu)圖，該系統(tǒng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的人性化智能家居系統(tǒng)架構(gòu)圖

感知層位于最底層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集與設(shè)備控制、傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與協(xié)同信息處理。結(jié)合基于物聯(lián)網(wǎng)的人性化智能家居系統(tǒng)特點(diǎn)和需求，通過(guò)傳感網(wǎng)組網(wǎng)與定位、信息協(xié)同處理、功能集成，整合物理位置相對(duì)獨(dú)立而功能相關(guān)的各傳感單元、執(zhí)行單元，形成智能家電控制子系統(tǒng)、光照度測(cè)控子系統(tǒng)、溫濕度與空氣質(zhì)量測(cè)控子系統(tǒng)、安防與門(mén)禁監(jiān)控子系統(tǒng)等。各子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的信息采集與設(shè)備控制。傳感網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee、WiFi、433 MHz等無(wú)線通信方式[9]。

網(wǎng)絡(luò)層為中間層，由各種內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線或無(wú)線通信網(wǎng)、家庭網(wǎng)關(guān)等組成，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息、對(duì)感知層設(shè)備的控制命令。其中，家庭網(wǎng)關(guān)是內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)信息交換的橋梁，負(fù)責(zé)二者信息模型的轉(zhuǎn)換、安全隔離。

應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)人與物信息交互，該層主要包括智能家居專(zhuān)用控制終端、智能手機(jī)、PC、平板電腦等控制終端設(shè)備及相應(yīng)的控制軟件。用戶(hù)利用各控制終端，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層控制傳感層各測(cè)控子系統(tǒng)及單元，同時(shí)可顯示傳感層各測(cè)控子系統(tǒng)及單元的數(shù)據(jù)或狀態(tài)。用戶(hù)可在住宅中通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，也可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、2.5G/3G移動(dòng)通信網(wǎng)等進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

基于物聯(lián)網(wǎng)的人性化智能家居系統(tǒng)3個(gè)層次模型清晰，各層相對(duì)獨(dú)立且功能明確，交互工作，共同構(gòu)成一個(gè)協(xié)調(diào)、統(tǒng)一的系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

由上述系統(tǒng)架構(gòu)分析可知，智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)各層協(xié)調(diào)、統(tǒng)一工作，系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及部件包括壁式智能控制終端、中轉(zhuǎn)器、基于Android的智能控制終端。

2.1 壁式智能控制終端

智能控制終端實(shí)現(xiàn)用戶(hù)集中或單獨(dú)控制各測(cè)控子系統(tǒng)及單元。圖2是壁式智能控制終端框圖及實(shí)物圖，其包括控制器、無(wú)線信號(hào)發(fā)射裝置、無(wú)線信號(hào)接收裝置、按鍵裝置、信息提示裝置（提示燈、顯示屏或發(fā)聲部件）及存儲(chǔ)模塊。其中，控制器是核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各部分運(yùn)行、接收用戶(hù)指令、構(gòu)建場(chǎng)景控制等，通過(guò)控制器可實(shí)現(xiàn)回家、外出、就餐、娛樂(lè)、影視、會(huì)客等模式設(shè)置與控制；無(wú)線信號(hào)發(fā)射裝置或無(wú)線信號(hào)接收裝置可采用ZigBee、WiFi、433 MHz無(wú)線短距通信方式中的一種；紅外發(fā)射裝置包含均勻環(huán)繞于殼體外表面的多個(gè)紅外線發(fā)射管，擴(kuò)大紅外線遙控角度及范圍；存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)無(wú)線信號(hào)指令。

圖2 壁式智能控制終端

2.2 中轉(zhuǎn)器

中轉(zhuǎn)器學(xué)習(xí)并存儲(chǔ)各種遙控器的按鍵指令，實(shí)現(xiàn)一個(gè)遙控裝置控制多種電器及設(shè)備，方便用戶(hù)使用。圖3是智能家居物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中轉(zhuǎn)器框圖，其包括中央處理單元、紅外發(fā)射裝置、紅外接收裝置、無(wú)線信號(hào)接收裝置和存儲(chǔ)模塊。核心中央處理單元具有紅外學(xué)習(xí)模塊，負(fù)責(zé)接收無(wú)線控制信號(hào)、控制指令學(xué)習(xí)與解析、紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換、各部分協(xié)調(diào)運(yùn)行。存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)紅外信號(hào)與無(wú)線控制信號(hào)映射關(guān)系信息表。中轉(zhuǎn)器無(wú)線接收裝置與控制終端無(wú)線信號(hào)發(fā)射裝置進(jìn)行通信。

受控設(shè)備接收到控制指令后，嘗試執(zhí)行指令動(dòng)作，之后返回一反饋信號(hào)，智能控制終端的控制器根據(jù)反饋結(jié)果驅(qū)動(dòng)信息提示裝置，實(shí)時(shí)掌握、顯示設(shè)備的受控狀態(tài)。

中轉(zhuǎn)器有學(xué)習(xí)模式和工作模式兩種。學(xué)習(xí)模式用于控制信號(hào)學(xué)習(xí)，通過(guò)操作中轉(zhuǎn)器上的模式選擇開(kāi)關(guān)，使其進(jìn)入學(xué)習(xí)模式。將普通紅外遙控器對(duì)準(zhǔn)中轉(zhuǎn)器，并按下遙控器某一控制按鍵，發(fā)射一定頻率的紅外信號(hào)。中轉(zhuǎn)器紅外接收裝置接收該紅外信號(hào)，并傳送給紅外學(xué)習(xí)模塊。此時(shí)，再按下控制終端按鍵裝置某一控制模式按鍵，其控制器控制無(wú)線信號(hào)發(fā)射裝置發(fā)射一無(wú)線信號(hào)，中轉(zhuǎn)器無(wú)線接收裝置收到該無(wú)線信號(hào)后又傳送給紅外學(xué)習(xí)模塊，紅外學(xué)習(xí)模塊將接收到的紅外信號(hào)與無(wú)線信號(hào)配對(duì)，將配對(duì)映射關(guān)系存入存儲(chǔ)模塊中，完成一個(gè)控制命令學(xué)習(xí)。通過(guò)上述操作，可將紅外信號(hào)與控制命令一一匹配對(duì)應(yīng)起來(lái)，并存入中轉(zhuǎn)器存儲(chǔ)模塊。

圖3 中轉(zhuǎn)器框圖

2.3 基于Android的智能控制終端

壁式智能控制終端不具備移動(dòng)性及個(gè)性化控制，為克服壁式智能控制終端的不足，系統(tǒng)同時(shí)采用基于Android的智能控制終端，其界面友好，操作方便靈活，可集成住宅所有電器及設(shè)備的控制。

基于 Android的智能控制終端硬件平臺(tái)采用ARM Cortex-A8內(nèi)核架構(gòu)，搭配Android 4.0.3操作系統(tǒng)，具有性能優(yōu)越、功耗低、多任務(wù)處理流暢、觸摸反應(yīng)靈敏、成本低的特點(diǎn)，其硬件結(jié)構(gòu)和實(shí)物如圖4所示。該設(shè)備以Android操作系統(tǒng)為控制核心，由處理器（包括中央處理器CPU、圖形處理器GPU、視頻處理器VPU）、存儲(chǔ)系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、觸摸系統(tǒng)、多媒體輸入/輸出系統(tǒng)構(gòu)成，其中發(fā)射與接收方式可以是ZigBee、WiFi、433 MHz中的一種或多種。

圖4 基于Android的智能控制終端

基于Android的智能控制終端采用個(gè)性化控制軟件系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)增減、自定義情景控制界面。個(gè)性化控制軟件系統(tǒng)采用的組件化技術(shù)方案如圖 5所示。首先，將智能家居控制模型分解成一個(gè)軟件框架和若干功能模塊，并將功能模塊封裝成組件形式。用戶(hù)根據(jù)控制需求，通過(guò)“添加”按鈕，添加一個(gè)組件容器，并添加用戶(hù)交互界面上各控制控件，將各控制控件與功能組件建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，調(diào)整功能組件參數(shù)。最后，將各功能組件集成到組件容器。用戶(hù)通過(guò)自定義情景模式、控制界面完成個(gè)性化控制。

圖5 個(gè)性化控制軟件系統(tǒng)組件化技術(shù)方案

基于Android的智能控制終端的個(gè)性化控制軟件系統(tǒng)如圖6所示，圖(a)、(b)分別是情景控制界面、電器控制界面。

圖6 個(gè)性化控制軟件系統(tǒng)

3 系統(tǒng)搭建與測(cè)試

搭建圖 7所示基于物聯(lián)網(wǎng)的人性化智能家居系統(tǒng)，系統(tǒng)包含智能家電控制子系統(tǒng)、光照度測(cè)控子系統(tǒng)、溫濕度與空氣質(zhì)量測(cè)控子系統(tǒng)、安防與門(mén)禁監(jiān)控子系統(tǒng)，采用433 MHz無(wú)線射頻通信方式，可通過(guò)基于Android的智能控制終端、壁式智能控制終端現(xiàn)場(chǎng)控制或通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)遠(yuǎn)程控制各子系統(tǒng)及單元。

圖7 基于物聯(lián)網(wǎng)的人性化智能家居系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)的人性化智能家居系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯涸撓到y(tǒng)通過(guò)433 MHz方式控制比通過(guò)433 MHz和紅外方式控制穩(wěn)定；現(xiàn)場(chǎng)控制方式比遠(yuǎn)程控制方式相對(duì)穩(wěn)定；遠(yuǎn)程控制中，移動(dòng)通信控制方式穩(wěn)定性略低于互聯(lián)網(wǎng)控制方式。

表1 基于物聯(lián)網(wǎng)的人性化智能家居系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

1) 基于物聯(lián)網(wǎng)的人性化智能家居系統(tǒng)架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，各層相對(duì)獨(dú)立而又相互聯(lián)系，構(gòu)成一個(gè)協(xié)調(diào)、統(tǒng)一的系統(tǒng)。

2) 基于 Android的智能控制終端是基于物聯(lián)網(wǎng)的人性化智能家居系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一，ARM Cortex-A8內(nèi)核架構(gòu)配合Android系統(tǒng)、組件化軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化情景模式設(shè)置與控制。

3) 基于物聯(lián)網(wǎng)的人性化智能家居系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、性?xún)r(jià)比高、舒適安全、實(shí)用性及可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其情景模式控制可個(gè)性化設(shè)置，且易于安裝、維護(hù)及擴(kuò)展。

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