一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳慶惠 郭福燕

摘要 目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品和物品之間。為了進(jìn)一步提高物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)大眾的能力和水平，本文在當(dāng)前研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。給出了智能家居系統(tǒng)的體系架構(gòu)，并把大數(shù)據(jù)理念引入本設(shè)計(jì)中。對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)各環(huán)節(jié)進(jìn)行了了分開闡述，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念及思想進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，本文方法具有一定的社會(huì)意義及實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 智能家居 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 大數(shù)據(jù)

1 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，當(dāng)前社會(huì)的主要矛盾發(fā)生了變化。社會(huì)矛盾由“人民日益增長(zhǎng)的物質(zhì)文化需要同落后的社會(huì)生產(chǎn)之間的矛盾”變化為“人民日益增長(zhǎng)的美好生活需要和不平衡不充分的發(fā)展之間的矛盾”。人們對(duì)美好生活的需求日益增強(qiáng)，希望生活更加智能化，舒適化。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是改善人們生活質(zhì)量的重要技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)上延伸和擴(kuò)展的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品和物品之間。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在百度上的定義是：“過射頻識(shí)別（ RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、追蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)叫做物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居設(shè)計(jì)成果較為豐富，如2014年電子科技大學(xué)的張清濤提出了一種“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”策略。2016年鄧楨文等提出了一種利用計(jì)算機(jī)和手機(jī)等終端通過Wi-Fi等方式控制家用電器、設(shè)備等，進(jìn)而構(gòu)成簡(jiǎn)單的智能家居系統(tǒng)的方法。2017年張凡榮等提出了一種“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)”方法，實(shí)現(xiàn)了基于RISC的家居智能控制與管理。

本文在當(dāng)前研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要給出了智能家居系統(tǒng)的體系架構(gòu)，并把大數(shù)據(jù)理念引入本設(shè)計(jì)中。對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)各環(huán)節(jié)進(jìn)行了了分開闡述，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念及思想進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，本文方法具有一定的社會(huì)意義及實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念及總體架構(gòu)

本文給出的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)的特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）通過網(wǎng)絡(luò)把家中的物品聯(lián)系起來，能夠形成信息互通和信息匯聚的能力。

（2）家居事物能夠具備智能控制和信息通信能力，即其本身具備智能化。

（3）系統(tǒng)能夠通過云服務(wù)技術(shù)引入較為豐富的應(yīng)用APP，通過應(yīng)用軟件來提高系統(tǒng)的服務(wù)能力。

（4）系統(tǒng)能夠引入大數(shù)據(jù)技術(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)體系的數(shù)據(jù)分析能力，提高系統(tǒng)的智能化水平。

本文通過對(duì)上述系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法的研究，明確了本文所述系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，即通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居信息互聯(lián)，進(jìn)而在應(yīng)用軟件的支持下，借助當(dāng)前較為流行的大數(shù)據(jù)理念實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用的先進(jìn)性。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

從圖1可知本文的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括四個(gè)部分：

（1）安裝了智能控制器的家居部分，如電冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等;

（2）通信部分，如RFID、Wi-Fi、4G、有線網(wǎng)絡(luò)等。

（3）智能終端部分，如手機(jī)、筆記本、IPAD等。

（4）第三方軟件服務(wù)器部分，如大數(shù)據(jù)服務(wù)器等。下面從四個(gè)方面對(duì)本文所述系統(tǒng)進(jìn)行展開闡述。

3 智能家居設(shè)計(jì)

本文智能家居系統(tǒng)中的家居需要具備一定的智能化，家居主要包括智能控制部分、信息通信單元部分、信息采集部分。這里以智能冰箱為例對(duì)本文所述智能家居設(shè)計(jì)理念進(jìn)行輔助說明，冰箱的控制部分可以包括溫度控制;信息采集為溫度信息采集、視頻信息采集;信息通信部分主要包括網(wǎng)絡(luò)通信模塊。其工作原理為：用戶通過信息通信部分實(shí)時(shí)獲取冰箱的運(yùn)行信息，冰箱的信息采集部分采集冰箱的實(shí)時(shí)溫度通過通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶。另外，冰箱也可以通過視頻采集部分向用戶傳遞冰箱內(nèi)情況信息。用戶可以通過溫度控制部分實(shí)現(xiàn)對(duì)冰箱溫度的個(gè)性化調(diào)節(jié)。冰箱也可以通過網(wǎng)絡(luò)與大數(shù)據(jù)及云服務(wù)服務(wù)器連接，實(shí)現(xiàn)智能化控制。其具體應(yīng)用可以是用戶可以通過了解當(dāng)前冰箱內(nèi)的物品情況，經(jīng)大數(shù)據(jù)提供需要購(gòu)買的物品。用戶可以根據(jù)回家時(shí)間，提前控制冰箱溫度使物品化凍。

4 通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

通信網(wǎng)絡(luò)可以采用當(dāng)前較為流行的Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)。Wi-Fi的特點(diǎn)是：

（1）無線通信，可以減小網(wǎng)絡(luò)布線;

（2）此技術(shù)較為成熟，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)芯片及Wi-Fi智能終端較為普遍，有利于搭建網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)采用USR-Wi-Fi232-B無線模塊完成Wi-Fi通信功能。該模塊內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議，采用串口通信的方式，一方面較為方面的接入Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)，另一方面可以較為方便的接收來自微控制器的控制信息。通過在家居中集成基于Wi-Fi的網(wǎng)絡(luò)通信單元，把家居引入了通信控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居的控制條件。

5 智能應(yīng)用設(shè)計(jì)

本文的智能應(yīng)用理念是把大數(shù)據(jù)引入到智能家居的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。通過用戶需求或用戶偏好，生成符合用戶需求的家居工作模式。本文基于約束型Petri網(wǎng)來給出工作模式生成算法。下面先給出約束型Petri網(wǎng)的形式化定義。

加入基于布爾值的變遷約束函數(shù)，主要適用于基于大數(shù)據(jù)的狀態(tài)約束。下面給出約束型Petri網(wǎng)的可達(dá)標(biāo)識(shí)獲取算法。

算法1：約束型Petri網(wǎng)可達(dá)標(biāo)識(shí)計(jì)算

輸入：約束型Petri網(wǎng)YPN=（P，T;F，M，f（t））。

輸出：YPN的所有可達(dá)標(biāo)識(shí)。

第一步：新建一個(gè)可達(dá)標(biāo)識(shí)庫(kù)0，把初始標(biāo)識(shí)作為當(dāng)前標(biāo)識(shí)M，并放入可達(dá)標(biāo)識(shí)庫(kù)O中。

第二步：遍歷YPN.T。若當(dāng)前元素為tp。通過定義1判斷tp的使能性。如果tp使能，令M[tp>Me。

第三步：遍歷可達(dá)標(biāo)識(shí)庫(kù)0，若當(dāng)前元素Item。若Item等于M，則返回。

第四步：把M放入可達(dá)標(biāo)識(shí)庫(kù)0中。

第五步：輸出可達(dá)標(biāo)識(shí)庫(kù)O。

算法1給出了約束型Petri網(wǎng)可達(dá)標(biāo)識(shí)計(jì)算算法，下面給出應(yīng)用約束型Petri網(wǎng)進(jìn)行家居工作模式選擇的方法。

算法2：家居工作模式選擇的方法

輸入：家居型號(hào)，大數(shù)據(jù)信息。

輸出：適宜的家居工作模式。

第一步：根據(jù)家居型號(hào)，通過查找大數(shù)據(jù)信息，明確此類家具的控制模式庫(kù)Q={mode1，mode2，…，mode_n）。

第二步：根據(jù)大數(shù)據(jù)明確各類控制模式的選擇條件。如對(duì)于冰箱，若用戶下午5點(diǎn)下班，可以對(duì)變溫箱的溫度進(jìn)行提前調(diào)整，以便用戶下班后可以拿到已經(jīng)化凍的物品。

第三步：根據(jù)第二步中的輸入條件和輸出模式的對(duì)應(yīng)關(guān)系，構(gòu)建基于定義l的約束型Petri網(wǎng)形式化模型。進(jìn)而通過算法2獲取可達(dá)標(biāo)識(shí)。最后，根據(jù)可達(dá)標(biāo)識(shí)析取出標(biāo)識(shí)為1的庫(kù)所，即為輸出的家居工作模式。

例如：對(duì)于空調(diào)可以有除濕模式、制暖模式、制冷模式、睡眠模式。系統(tǒng)可以根據(jù)大數(shù)據(jù)中用戶的作息時(shí)間，明確當(dāng)前的家居工作模式。在約束Petri中，輸入庫(kù)所對(duì)應(yīng)著當(dāng)前條件，輸出庫(kù)所為各類工作模式，變遷控制為用戶偏好。如當(dāng)前是夜間12點(diǎn)，溫度較冷，則系統(tǒng)可以自動(dòng)切換至睡眠制暖模式，實(shí)現(xiàn)家居工作模式的智能選擇功能。

6 結(jié)語

為了進(jìn)一步提高物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與社會(huì)生活的融合力度，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略。通過上面幾個(gè)小節(jié)的闡述，給出了系統(tǒng)的體系架構(gòu)。明確了本文的技術(shù)特點(diǎn)，運(yùn)用了大數(shù)據(jù)的信息分析手段，提高了系統(tǒng)的智能化程度。本文工作豐富了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用理念，具有一定的應(yīng)用實(shí)踐價(jià)值。下一步將對(duì)家居智能化設(shè)計(jì)做進(jìn)一步研究，如智能控制模式、通信協(xié)議等。

參考文獻(xiàn)

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