基于WiFi技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹慶年+李穎+張曉蕊+孟開元

摘 要：智能家居是物聯(lián)網(wǎng)在家居方向的一個(gè)重要應(yīng)用，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為控制、采集和分析三大部分，分別實(shí)現(xiàn)狀態(tài)控制、家電相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)采集以及云端數(shù)據(jù)分析處理功能?；谶@三大功能設(shè)計(jì)了應(yīng)用層通信協(xié)議，在Wi-Fi技術(shù)支持下，實(shí)現(xiàn)終端用戶對(duì)家居情況的可視化了解和控制，提高了日常生活效率和生活質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：智能家居；物聯(lián)網(wǎng)；Wi-Fi技術(shù)

DOIDOI：10.11907/rjdk.171359

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：1672-7800（2017）008-0067-02

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，人們對(duì)方便快捷的生活要求日益提高，各式各樣的物聯(lián)設(shè)備不僅服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)，也出現(xiàn)在人們的日常生活中。物聯(lián)網(wǎng)就是將物與物、物與人通過網(wǎng)絡(luò)連接并將信息在網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)幕ヂ?lián)網(wǎng)，其核心流程是通過各種傳感設(shè)備將信息采集后，通過通信網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸至網(wǎng)絡(luò)終端加以處理，并將信息反饋呈現(xiàn)給終端用戶。

基于物聯(lián)網(wǎng)，結(jié)合安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等，構(gòu)建智能家居系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)家居生活的自動(dòng)化和智能化，使家居生活更加便捷。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

以實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)各電器狀態(tài)查詢功能，居住環(huán)境溫度、濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及異常報(bào)警功能，用電器的添加管理功能，最終可以通過終端對(duì)家庭環(huán)境、電器狀態(tài)等進(jìn)行綜合監(jiān)控、智能化管理，更好地服務(wù)人們的生活。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為3個(gè)部分，信息采集層、信息傳輸層、信息管理層。信息采集層通過家用電器的內(nèi)置傳感器完成，聲敏、熱敏、氣敏和化學(xué)傳感器等，它們像人類的感官一樣將感受到的信息采集起來。信息傳輸層通過Wi-Fi模塊以及路由器實(shí)現(xiàn)，傳感器將采集到的信息通過Wi-Fi連接到無線局域網(wǎng)并將信息發(fā)送至路由器，路由器將家庭無線局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)相連，并轉(zhuǎn)發(fā)信息至服務(wù)器。信息管理層通過終端手機(jī)、PC來完成家用電器信息的查看與管理，終端用戶向服務(wù)器請(qǐng)求查看具體家用電器參數(shù)，服務(wù)器響應(yīng)該服務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行處理，查詢終端請(qǐng)求數(shù)據(jù)，送回終端顯示給用戶。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.3 系統(tǒng)模塊

系統(tǒng)由三大部分構(gòu)成：控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)、分析系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)負(fù)責(zé)家電的開關(guān)狀態(tài)控制、各家電參數(shù)的控制等，采集系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)進(jìn)行采集并提交分析系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性分析與處理。系統(tǒng)模塊如圖2所示。

其中，照明系統(tǒng)控制家中各房間的燈具，一般分為可調(diào)亮度的和不可調(diào)亮度兩種。對(duì)不可調(diào)亮度的燈具可通過無線終端單元輸出單路數(shù)字信號(hào)與開關(guān)面板輸出的信號(hào)經(jīng)過異或門后連接到燈具輸入端，這樣中央控制系統(tǒng)通過遠(yuǎn)程或直接通過面板都可以對(duì)燈具進(jìn)行控制，互不影響；對(duì)于可調(diào)亮度的燈具則需要無線終端單元將輸出的亮度信號(hào)通過AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)再輸入燈具端以達(dá)到調(diào)節(jié)亮度的目的。

家電智能遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)家電的管理，主動(dòng)進(jìn)行家電狀態(tài)的改變，或?qū)译娺M(jìn)行遠(yuǎn)程預(yù)約。

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完成家庭溫度、濕度、空氣質(zhì)量相關(guān)參數(shù)以及關(guān)鍵位置視頻圖像的采集，采集模式分為3種：定時(shí)采集、主動(dòng)采集、觸發(fā)式采集。定時(shí)采集即對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行固定時(shí)間的周期式采集，在云端生成報(bào)表供查看；主動(dòng)采集即終端用戶主動(dòng)進(jìn)行參數(shù)查看；觸發(fā)式采集即在滿足特定條件下進(jìn)行觸發(fā)采集。

敏感信號(hào)報(bào)警系統(tǒng)主要結(jié)合環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采集的相關(guān)敏感參數(shù)，比如一氧化碳濃度、煙霧等進(jìn)行限值的判定報(bào)警，不同參數(shù)設(shè)置不同的報(bào)警對(duì)象。

云端大數(shù)據(jù)分析將利用相關(guān)算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析及處理，使家庭離散數(shù)據(jù)信息整合成為可視化的有意義圖表信息呈現(xiàn)給終端用戶，并給出合理化建議。比如：通過對(duì)家電的預(yù)約情況結(jié)合時(shí)間進(jìn)行分析，得出用戶的生活習(xí)慣并以圖表的形式展現(xiàn)給用戶，供用戶參考調(diào)整。

2 系統(tǒng)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

目前，使用較為頻繁的幾種短距離無線通信技術(shù)分別為藍(lán)牙、ZigBee、WiFi等。藍(lán)牙具有功耗低、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，大部分手機(jī)都支持，但其傳輸速率較低；ZigBee功耗非常低，并且可以自組網(wǎng)，但其傳輸速率慢；WiFi是使用最廣泛的無線局域網(wǎng)通信技術(shù)，幾乎家家都在用，而且其傳輸速率快，還可以聯(lián)網(wǎng)。本系統(tǒng)的主要目的是控制和查詢家電狀態(tài)，聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)傳輸速率是重要的性能指標(biāo)，因此選用WiFi技術(shù)作為家電無線通信技術(shù)。

對(duì)WiFi框架進(jìn)行分析，基于Wifiservice類，使用Wifimanager類實(shí)現(xiàn)對(duì)WiFi模塊狀態(tài)的獲取，并用其配置和控制WiFi模塊。

2.1 通信模型

本系統(tǒng)信源為家用電器，不停運(yùn)轉(zhuǎn)的電器每時(shí)每刻產(chǎn)生信息，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)的方式傳遞至終端用戶。通信流程如下：家用電器產(chǎn)生信息，通過換能器將信息進(jìn)行能量變換（聲電、光電等），將能量變換為電信號(hào)，再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后將信號(hào)編碼成為一個(gè)數(shù)字序列，增加信息的有效性，最后將信息進(jìn)行調(diào)制后發(fā)送至無線通信信道。相似地，將信息送至用戶終端為其反向流程。

2.2 協(xié)議設(shè)計(jì)

通信協(xié)議就是相互交流的一套規(guī)則，它包括語法、語義、時(shí)序，即對(duì)等層實(shí)體之間信息從源地址發(fā)至目的地址。兩者之間需要統(tǒng)一發(fā)送信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或格式，統(tǒng)一發(fā)送信息的順序，統(tǒng)一發(fā)送控制信息的響應(yīng)方式。

本系統(tǒng)使用手機(jī)、PC終端控制并查詢家用電器的信息，此過程需要制定一個(gè)通信協(xié)議來統(tǒng)一終端和用電器之間的規(guī)約，讓電器正確接收并處理終端給出的命令。因此，智能家居的通信系統(tǒng)擬為互聯(lián)網(wǎng) 5層協(xié)議棧，每層用下層的服務(wù)處理本層需求。協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

物理層處理電器機(jī)械、電氣的接口負(fù)責(zé)物理傳輸，即將編碼好的數(shù)字序列一個(gè)個(gè)地發(fā)至物理鏈路；數(shù)據(jù)鏈路層將數(shù)據(jù)報(bào)封裝成適合在物理鏈路上傳輸?shù)膸袷?，以?shù)據(jù)幀的形式讓數(shù)據(jù)在鏈路上傳輸；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)將傳感器采集的信息獨(dú)立地從電器發(fā)送至用戶終端；傳輸層采用TCP協(xié)議，負(fù)責(zé)向電器和終端用戶之間提供應(yīng)用程序進(jìn)程間的傳輸服務(wù)；應(yīng)用層在TCP/IP協(xié)議的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一套自定義的協(xié)議。數(shù)據(jù)報(bào)格式如圖4所示。endprint

該自定義協(xié)議參照系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)，功能碼字段可分為控制、采集、配置3部分?？刂萍醇译婇_關(guān)狀態(tài)、可控參數(shù)的控制；采集即溫度、濕度、灰塵等傳感器環(huán)境參數(shù)的采集；配置即家電預(yù)約配置。功能碼表如圖5所示。

設(shè)備號(hào)占一個(gè)字節(jié)，它是區(qū)別每個(gè)電器的標(biāo)識(shí)，每個(gè)正規(guī)的電器出廠時(shí)，生產(chǎn)廠家都應(yīng)對(duì)它設(shè)置一個(gè)唯一的編號(hào)，這樣就避免了相同電器的沖突問題。數(shù)據(jù)部分存放具體的信息、采集的參數(shù)數(shù)據(jù)以及預(yù)約的具體內(nèi)容等數(shù)據(jù)。檢驗(yàn)碼占兩個(gè)字節(jié)，采用CRC循環(huán)冗余校驗(yàn)的方式，先選擇一種方案生成多項(xiàng)式，再計(jì)算出冗余碼作為校驗(yàn)碼附在數(shù)據(jù)幀的后面進(jìn)行校驗(yàn)。

3 結(jié)語

本文以家居自動(dòng)化為目標(biāo)，進(jìn)行了智能家居系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)分為控制系統(tǒng)、采集系統(tǒng)和分析系統(tǒng)3部分。隨著人工智能的不斷發(fā)展，智能家居可以優(yōu)化分析系統(tǒng)中的云端大數(shù)據(jù)分析模塊，考慮加入更加合適的人工智能算法，使整個(gè)智能家居系統(tǒng)的功能從輔助生活向指導(dǎo)安排生活方向發(fā)展。同時(shí)，重視用戶數(shù)據(jù)和隱私保護(hù)，避免連接物聯(lián)網(wǎng)之中的物品、數(shù)據(jù)等受到惡意攻擊。

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