多功能智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄒霆

摘 要：文章闡述了多功能智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，首先對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上從基于嵌入式的服務(wù)器設(shè)計(jì)、底層驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)、服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、門禁模塊的設(shè)計(jì)、安卓客戶端的開(kāi)發(fā)等方面闡述了詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程。

關(guān)鍵詞：多功能；智能家居；無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用的逐步深入，在傳感器和控制系統(tǒng)的協(xié)同配合下，智能家居擁有了更多的可能。智能家居作為未來(lái)發(fā)展前景十分廣闊的領(lǐng)域，其實(shí)現(xiàn)技術(shù)已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。文章在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，闡述多功能智能家居系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)原理與模式，為提升住戶便利，為住戶獲得更好的居住感受打下技術(shù)基礎(chǔ)，具有比較好的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

1 多功能智能家居的設(shè)計(jì)

本研究涉及到的智能家居，其基本設(shè)計(jì)理念，是以現(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以及家庭內(nèi)部所部署的局域網(wǎng)系統(tǒng)，隨時(shí)采集各類狀態(tài)參量，以安卓系統(tǒng)作為應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，最終實(shí)現(xiàn)符合居住需求，實(shí)時(shí)響應(yīng)的智能家居系統(tǒng)，能夠?qū)κ覂?nèi)的全部家具設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和設(shè)置，以集成的方式實(shí)現(xiàn)設(shè)備的管理?？紤]到安卓為開(kāi)源的環(huán)境，因此對(duì)于具體用戶，可以結(jié)合其實(shí)際需求進(jìn)行功能模塊的定制，因此這種模式之下開(kāi)發(fā)的軟件具備很好的功能擴(kuò)展?jié)摿ΑＯ旅嬖敿?xì)闡述其設(shè)計(jì)方法及過(guò)程。

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)融合了各類技術(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，自動(dòng)化技術(shù)，傳感器技術(shù)等等，能夠在無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)的支持下，對(duì)各類節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)控和管理，從而可以對(duì)家居環(huán)境中的各類電氣設(shè)備、門禁設(shè)施、照明燈具等進(jìn)行控制管理；此外還可以在傳感單元的支持下，實(shí)時(shí)探測(cè)環(huán)境中的各類因子，并結(jié)合事先所設(shè)定的閾值啟動(dòng)或者關(guān)閉遮光、空調(diào)等設(shè)備，并且在煙霧、溫度超標(biāo)時(shí)進(jìn)行報(bào)警，保證居民的居住安全。并且，智能家居系統(tǒng)可以在數(shù)據(jù)庫(kù)中維護(hù)用戶的各類信息，當(dāng)信息積累到一定數(shù)目的時(shí)候，可以通過(guò)人工智能算法分析用戶的使用喜好，并預(yù)測(cè)用戶的行為等，使家居設(shè)備能夠更加人性化，隨時(shí)為用戶提供符合其個(gè)性特點(diǎn)和需求的服務(wù)。這些數(shù)據(jù)也為設(shè)備本身的安全使用打下了基礎(chǔ)。

在整體結(jié)構(gòu)上，智能家居系統(tǒng)可以劃分成硬件部分與軟件部分。其中，硬件部分主要的組成為系統(tǒng)服務(wù)器、設(shè)備控制模塊（包括對(duì)門禁的控制模塊以及報(bào)警控制模塊等），而軟件部分則主要指的是嵌入式模塊和上層應(yīng)用模塊。

由上文可知，整體系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的部分便是無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，只有構(gòu)建了底層信息傳輸平臺(tái)，才能保證上層各類功能模塊的實(shí)現(xiàn)。服務(wù)器可以視為是智能家居系統(tǒng)的控制中心，全部的信息均由服務(wù)器單元進(jìn)行解析和處理，舉例來(lái)講，家居中的門禁系統(tǒng)，必須能夠同時(shí)進(jìn)行音頻信號(hào)和視頻信號(hào)的傳送，這些信號(hào)也應(yīng)被用戶安裝了客戶端的手機(jī)接受到，因此服務(wù)器需要對(duì)這些信息進(jìn)行解析和編碼，使其實(shí)時(shí)順利地傳輸至用戶的安卓手機(jī)。在出現(xiàn)告警信息的時(shí)候，服務(wù)器應(yīng)該能夠結(jié)合告警的類別，自動(dòng)編輯短信息內(nèi)容推送給房屋主人，由此可知，服務(wù)器的性能和功能是智能家居系統(tǒng)的核心，也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

1.2 服務(wù)器設(shè)計(jì)

由于服務(wù)器單元處在智能家居系統(tǒng)的核心，而其他的各個(gè)模塊均在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的支持下受到服務(wù)器的管理和控制，因此本研究采取嵌入式的方法對(duì)服務(wù)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2.1 基于嵌入式的服務(wù)器設(shè)計(jì)

在服務(wù)器模塊的開(kāi)發(fā)中，采用的是Linux平臺(tái)。其具體流程為：在開(kāi)發(fā)平臺(tái)上部署NFS系統(tǒng)，此系統(tǒng)能夠支持用戶和其他的開(kāi)發(fā)人員對(duì)開(kāi)發(fā)文檔進(jìn)行共享，同步開(kāi)發(fā)。把系統(tǒng)的主機(jī)視為文件共享系統(tǒng)服務(wù)器，在對(duì)uImage內(nèi)核進(jìn)行鏡像編輯，使之內(nèi)嵌在目標(biāo)板之中。在此基礎(chǔ)上設(shè)置交叉編譯軟件的各個(gè)參數(shù)，配置所有的環(huán)境參數(shù)，從而使上層的軟件能夠在編譯之后變成目標(biāo)板上的文件。

在完成以上的操作后，繼續(xù)制作位于目標(biāo)板的根文件，根文件中含有智能家居控制程序相關(guān)的各類庫(kù)文件和目錄等。通常開(kāi)辟一個(gè)單獨(dú)的分區(qū)，在其中設(shè)置與在根文有關(guān)的目錄。在完成程序調(diào)試時(shí)，同時(shí)也就完成了目標(biāo)板運(yùn)行前的所有工作。

1.2.2 底層驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)所需的底層驅(qū)動(dòng)含有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，Wi-Fi連接設(shè)備等，此處以Wi-Fi連接設(shè)備為例，首先將此設(shè)備視為一個(gè)字符型的模塊，為了能夠使上層的應(yīng)用對(duì)本模塊進(jìn)行讀寫(xiě)操作，就應(yīng)該調(diào)用相關(guān)的進(jìn)程。所有的底層驅(qū)動(dòng)均在/dev文件夾里為上層的各類調(diào)用預(yù)留端口。

1.2.3 服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

由于不同的住戶對(duì)于智能家居的功能需求也有所不同，因此本設(shè)計(jì)在傳輸模式的選擇上，確定了復(fù)合型的模式，即對(duì)移動(dòng)聯(lián)網(wǎng)、Wi-Fi連接等各類模式均支持，用戶只要處于存在上述網(wǎng)絡(luò)任何一種連接中的環(huán)境中，便能夠獲取信息，對(duì)遠(yuǎn)程家居設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和操作。本設(shè)計(jì)

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)是用戶使用較多的網(wǎng)絡(luò)之一，在此網(wǎng)絡(luò)的支持下，能夠?qū)C機(jī)、手持終端、手機(jī)等連接到互聯(lián)網(wǎng)中，進(jìn)行遠(yuǎn)程的操作和控制。Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，能夠很好地支持802.11協(xié)議的無(wú)線傳輸，因此也適合于對(duì)門禁等需要實(shí)時(shí)傳輸信息的模塊使用。

3G與4G網(wǎng)絡(luò)也是目前使用較為廣泛的無(wú)線傳輸技術(shù)，其理論基礎(chǔ)是傳統(tǒng)移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的蜂窩通訊。3G與4G網(wǎng)絡(luò)一方面能夠支持傳統(tǒng)的語(yǔ)音信息，另一方面也完全兼容數(shù)字流量，一般情況下的波特率可以達(dá)到百k左右。本設(shè)計(jì)由于使用的是安卓系統(tǒng)，采取標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)網(wǎng)方式，為了適應(yīng)不同情況下的無(wú)線傳輸，需要對(duì)Linux平臺(tái)的內(nèi)核進(jìn)行調(diào)整，本設(shè)計(jì)為其增設(shè)了USB驅(qū)動(dòng)撥號(hào)腳本，使其可以在3G與4G網(wǎng)絡(luò)的支持下進(jìn)行無(wú)線傳輸。本研究所設(shè)計(jì)的基于不同無(wú)線傳輸體制的底層數(shù)據(jù)方案如圖所示。

1.3 門禁模塊的設(shè)計(jì)

在智能家居系統(tǒng)中，門禁模塊需要實(shí)時(shí)進(jìn)行視頻信息和音頻信息的傳輸，因此涉及到很大的數(shù)據(jù)流量，同時(shí)還接收來(lái)自服務(wù)器的各類控制指令，譯碼后進(jìn)行執(zhí)行并返回信息。而對(duì)于門禁系統(tǒng)的聲音信號(hào)，其采取的方式是首先進(jìn)行錄制，結(jié)束之后將其以wav文件進(jìn)行保存，再以socket的模式將語(yǔ)音傳輸至服務(wù)器模塊，服務(wù)器收到語(yǔ)音信息之后，將相關(guān)消息發(fā)送到住戶的手持終端上提醒其點(diǎn)擊鏈接進(jìn)行收聽(tīng)；而對(duì)于門禁系統(tǒng)的視頻信息，則在錄制之后使其保存為JPEG流的格式，傳輸至服務(wù)器，轉(zhuǎn)發(fā)給住戶，文件以客戶端關(guān)閉連接作為末尾的標(biāo)志。

1.4 安卓客戶端的開(kāi)發(fā)

住戶為了能夠在任意的時(shí)間對(duì)家居設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行獲取，設(shè)計(jì)了基于安卓的客戶端軟件，以支持用戶在Wi-Fi等無(wú)線傳輸體系的支持下訪問(wèn)家居設(shè)備的各類參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制。

其中的關(guān)鍵之處是對(duì)用戶界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

結(jié)合具體的功能，在界面里內(nèi)置了三個(gè)控件來(lái)控制界面的上中下三個(gè)區(qū)域。在界面上端，使用者可以通過(guò)復(fù)制鏈接或者直接輸入地址的方式與服務(wù)器取得聯(lián)系，在界面中部則設(shè)置了用頁(yè)面切換方法，支持住戶以觸摸的方式進(jìn)行頁(yè)面的轉(zhuǎn)換等。界面下端含有本軟件的功能模塊，其中的“服務(wù)器”模塊支持用戶對(duì)家居環(huán)境中的各類參數(shù)進(jìn)行查詢，例如實(shí)時(shí)的溫度、濕度、PMI值等等，也能夠查詢當(dāng)前的門禁信息，包括音頻與視頻。為了支持用戶調(diào)取視頻監(jiān)控中的數(shù)據(jù)，設(shè)置了一個(gè)單獨(dú)的tabpager。系統(tǒng)的“情景模式”模塊則可以支持用戶對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，例如對(duì)窗簾遮光、燈光強(qiáng)度、空調(diào)溫度等進(jìn)行設(shè)置等。

2 結(jié)語(yǔ)

目前，智能家居技術(shù)的發(fā)展方興未艾，有很多門類的產(chǎn)品充斥在市場(chǎng)中，屬于朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。可以預(yù)見(jiàn)在不久的將來(lái)，隨著技術(shù)的突破和市場(chǎng)的拓展，智能家居必將逐步取代傳統(tǒng)家具，使居民的居住更加舒心和環(huán)保。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱海翔，文浦驊，裴陽(yáng).多功能智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（07）：6-7.

[2] 張媛一，張景全，王春來(lái).基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工程技術(shù)研究，2016（08）：12-16.

[3] 姬紅旭，李佳寶.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2016（11）：74.