智能家居實施方案研究

顧狀狀 黨穎 胡成杭 常佳琛 郭旭

摘要

網(wǎng)絡的全球性覆蓋促使了智能家居的形成和發(fā)展，智能家居以住宅為平臺，利用現(xiàn)代化技術將家庭生活有關的設施進行集成，建立高效方便的家居設備管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，而且使我們的居住環(huán)境更加環(huán)保節(jié)能。我們在研究中分析了市場上已有的的智能家居的不足以及難以推廣的原因，并作出了具體的實施解決方案，該方案可以對非智能的傳統(tǒng)家居設施進行簡單的智能改造，改造后的設施可以和現(xiàn)有的智能家電進行集成，利用手機APP進行操控，此方案簡單方便并且費用低能夠更好的適應市場。

【關鍵詞】智能家居 遠程控制 環(huán)保節(jié)能 智能家電

1 引言

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、網(wǎng)絡通信技術、安全防范技術、自動控制技術、音視頻技術將家居生活有關的設施集成，構(gòu)建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。我們在現(xiàn)有的智能設備的基礎之上，將智能設備集成到家庭之中，并實現(xiàn)手機APP端遠程控制。

現(xiàn)在，國外的智能家居系統(tǒng)技術己日趨成熟，最近幾年，預計會有大量的新型房子將配備智能家居系統(tǒng)。另外，因為智能家居技術的越來越標準化、國際化，新型智能家居將比世界富豪比爾.蓋茨斥資近億的智能別墅更加便宜。在智能家居系統(tǒng)研究方面，美國和其他發(fā)達國家在智能家居的發(fā)展中長期處于主導地位，美國Microsoft公司以及Motorola公司等許多世界頂尖企業(yè)，紛紛加入到該領域進行研究開發(fā)。Microsoft、Motorola、IBM等公司均自主研發(fā)出了自己的智能家居系統(tǒng)，進入了智能家居市場。此外，日本、韓國、新加坡的許多公司爭相躋身于家居智能化的研究行列中，對智能家居市場更是虎視耽耽。目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)的智能家居系統(tǒng)主要有：

（1）X-10系統(tǒng)（美國），該系統(tǒng)是利用電力線作為網(wǎng)絡平臺，采用集中控制方式實現(xiàn)。這套系統(tǒng)的功能較為強大，與其它家居控制系統(tǒng)如ABB、C_BUS等比起來讓人更容易接接受，使用方法上也相對簡單，因為在實現(xiàn)智能家居功能上，X-10家居控制系統(tǒng)是利用220V電力線將發(fā)射器發(fā)出的X-10信號傳送給接收器從而實現(xiàn)智能化的控制，因此采用這套系統(tǒng)不需要額外的布線，這也是這套系統(tǒng)的最大的一個優(yōu)勢，因為相比于其它系統(tǒng)基本上都需要布置低壓線，在墻上或地面開槽、鉆孔、布線，施工難度比較大、費用很高、工期比較長、可實施性比較低，但是因為缺乏在中國市場推廣的條件而且造價昂貴，所以X-10系統(tǒng)在國內(nèi)應用很少;

（2）EIB系統(tǒng)（德國），該系統(tǒng)采用預埋總線以及中央控制方式實現(xiàn)智能家居控制功能，但是它的工程要求過于復雜苛刻，而且價格昂貴，所以在國內(nèi)也很少采用;

（3）8X系統(tǒng)（新加坡），該系統(tǒng)采用預處理總線跟集中控制方式來實現(xiàn)智能家居的控制功能，該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于利用產(chǎn)品對系統(tǒng)進行擴展，系統(tǒng)比較成熟，也挺適合中國的基本國情，但是在價格上還是難以普及。國內(nèi)很多軟、硬件公司都已經(jīng)積極的投入到研發(fā)更加適合中國市場的智能化家居設備，來解決現(xiàn)在存在的智能化產(chǎn)品實用性低、操作繁瑣復雜和產(chǎn)品價格高居不下等問題。而我們的研究則是在市場上己有的智能開關設備的基礎上，提出了可行的解決方案，來實現(xiàn)智能家居，相比于國內(nèi)大多數(shù)的智能家居系統(tǒng)，我們的智能家居方案在價格上的優(yōu)勢更加明顯，不需要把家里的所有的家電等設備換成智能家電，只需要在原有的家電設備基礎之上進行改造即可實現(xiàn)智能家居方案，對于家電設備的控制更加方便，操作更加傻瓜化，平民化，讓更多的人能夠迅速的上手控制智能設備，對于家電的控制上，我們的方案基本可以控制所有的用電器，將家里所有的用電設備集中到手機端控制，讓家居生活變得更加安全、環(huán)保、智能、方便、舒適，同時也能為家庭的正常開銷節(jié)省下生活上的花費。

2 智能家居方案

2.1 戶型選取

智能家居的模型要盡量的貼合實際，這樣的結(jié)論才能具有一定的參考價值，所以戶型的選取一定要符合大多數(shù)人的實際戶型，經(jīng)過查閱資料，從中選取出一個比較符合大多數(shù)人居住環(huán)境的戶型——三間起居室（一間主臥，兩間次臥），一個廚房，一個衛(wèi)生間，一個大廳帶小餐廳，如圖1所示。

2.2 智能改造

傳統(tǒng)的非智能家電無法進行有效的智能化集成操控，因此需要把家中的非智能家電進行智能化的改造，該改造是在原有的家電上，加入Wi-Fi控制模塊，對電路的通斷進行控制，將原有的非Wi-Fi控制家電，通過Wi-Fi控制模塊控制家電的開關狀態(tài)，以達到Wi-Fi控制效果，然后通過手機端的APP進行遠程控制家電的開關，如圖2所示。

Wi-Fi控制模塊：采用UART接口，支持串口透明數(shù)據(jù)傳輸模式，并且具有多模安全能力。內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧和IEEE802.11協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口到無線網(wǎng)絡之間的轉(zhuǎn)換，串口Wi-Fi模塊TLN13UA06支持串口透明數(shù)據(jù)傳輸模式并且具有安全多模能力，使傳統(tǒng)串口設備更好的加入無線網(wǎng)絡。硬件平臺如圖3所示。Wi-Fi控制模塊的加入使得傳統(tǒng)非智能家電變成可以進行遠程控制的智能性家電，并且此種改造方法簡單方便且費用低廉。

2.3 智能家居方案

非智能家電經(jīng)過改造后變成了智能家電，和其它智能家電可以進行系統(tǒng)的集成，方案如圖4所示。在圖中，加入了雙刀空氣開關，這是一種只要電路中電流超過額定電流就會自動斷開的開關，它的作用在于控制和保護，除能完成接觸和分斷電路外，而且能對電路或電氣設備發(fā)生的短路、嚴重過載以及欠壓等情況下對電路進行一定的保護，同時也可以用于避免頻繁地啟動電動機。內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖5所示?？諝忾_關的原理是當電路中短路電流遠遠大于正常情況的負載電流，于是短路電流就會導致脫扣器脫扣，動觸頭便在彈簧的拉力作用下和靜觸頭分離，于是電路就斷開了。在正常電路負載的情況下，電磁脫扣器的銜鐵是處于釋放狀態(tài);如果一旦發(fā)生電流過載或短路情況時，與主電路串聯(lián)的線圈就會產(chǎn)生很強的電磁吸力給銜鐵一個向下吸引的力從而將鎖鉤頂開，從而達到主觸點斷開的目的。欠壓脫扣器的工作原理剛好相反，在電壓正常情況下，產(chǎn)生電磁吸力將銜鐵吸住，主觸點處于閉合狀態(tài)。如果電壓出現(xiàn)嚴重下降或斷電情況時，銜鐵就會被釋放從而使主觸點處于斷開狀態(tài)。當電壓恢復到正常狀態(tài)時，必須手動合閘才能正常工作，實現(xiàn)了失壓的保護。在這里用于防止因家電設備短路或故障引起事故發(fā)生。

家電設備Wi-Fi模塊通過路由器將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器端，服務器接收家電的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)通過后臺程序處理之后將家電狀態(tài)信息返回至手機客戶端，用戶可以通過客戶端進行操作，遠程控制家電，客戶端將操作指令發(fā)送至服務器，服務器將指令信息處理后發(fā)送至家電設備Wi-Fi模塊，Wi-Fi模塊可以控制家電的開關。如圖6所示。

2.4 功能實現(xiàn)

插上電源后，將空氣開關置通路狀態(tài)，然后長按Wi-Fi控制模塊的開關5秒左右，然后觀察到Wi-Fi控制模塊指示燈光閃動，打開手機APP端主界面，觀察到下方有一個加號的圖標（圖7），點擊該圖標可以添加設備，選中快速模式（圖8），單擊下一步，Wi-Fi名稱默認為當前手機設備連接的Wi-Fi網(wǎng)絡，然后填寫Wi-Fi密碼，可以選擇記住Wi-Fi密碼 （圖9），這樣下一次連接的時候就可以直接使用Wi-Fi密碼不用再次輸入，單擊下一步，等待設備上線（圖10），分配服務器，然后為設備命名后即可完成對Wi-Fi控制模塊的配置。然后觀察到APP端有一個設備已經(jīng)在線，單擊開關即可打開該Wi-Fi控制模塊所控制的LED燈。

將家電設備連入網(wǎng)絡之后，可以在圖一界面左側(cè)點擊開關圖標控制用電設備開關，如果需要將設備移除可以點擊圖一右側(cè)的垃圾桶圖標，即可將用電設備移除，除此之外，還可以通過創(chuàng)建場景（圖一頂部右側(cè)的圖標），將多個設備通過一個開關進行遠程控制，如：將客廳的燈和臥室的燈集成到一個開關，當回家時可以一次開啟客廳和臥室的燈。在不同的場景下可以進行自定義操作，使家庭設備使用更加方便。

3 結(jié)果分析

智能家居系統(tǒng)，可以將所有的用電設備連接進入互聯(lián)網(wǎng)中，通過手機終端APP進行遠程訪問查看用電器的開關狀態(tài)并進行遠程操控，適用于多種場景，比如，將一間大廳里所有的燈作為一個并發(fā)的操作，進門之前只要將一盞燈用手機端打開所有的燈都會亮起，方便用戶的操作，避免繁瑣的重復行為，亦或者是，在每天8點回家之前需要將所有的燈打開，這樣用戶可以將這些開關自定義成為一個按鈕，并設置為定時操作，查看用電器的狀態(tài)還可以避免忘記關閉用電器從而引發(fā)的資源浪費甚至是火災等情況的發(fā)生。在不同的場景下，智能家居都表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢，極大地方便了用戶對家電設備的控制，同時也能做到低碳環(huán)保，節(jié)約資源。在于成本方面，不需要去購買新的智能設備造成大量資金的浪費，只需要在原有的家電設備基礎上進行改造，即可實現(xiàn)智能家居。智能家居系統(tǒng)必然是歷史潮流的必然，相信不遠的幾年里，智能家居系統(tǒng)一定能進入我們每一個人的生活里，讓我們的生活更加方便。

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