一種智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

衛(wèi)亞兵　彭凱　張銳

摘 要：文中設(shè)計(jì)了一種支持多種無(wú)線傳感技術(shù)的智能家居系統(tǒng)解決方案，通過(guò)智能家庭網(wǎng)關(guān)的銜接，將家庭內(nèi)部的各無(wú)線傳感設(shè)備與外網(wǎng)互聯(lián)，用戶可通過(guò)手機(jī)、電腦等設(shè)備，隨時(shí)隨地地管理、監(jiān)測(cè)、控制家庭內(nèi)部的智能設(shè)備。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，易于擴(kuò)展，滿足了家庭低功耗、低成本的需求，具有一定的普及、推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：智能家居；智能家庭網(wǎng)關(guān)；無(wú)線傳感設(shè)備；低功耗；

中圖分類號(hào)：TP39；TN915.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）03-0-02

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)的信息傳輸和數(shù)據(jù)處理都在計(jì)算機(jī)或手機(jī)類智能終端上進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)的起點(diǎn)和終點(diǎn)都是計(jì)算機(jī)或手機(jī)類終端，無(wú)法到達(dá)真實(shí)世界中的物品，缺少實(shí)物網(wǎng)絡(luò)連接和信息處理的“最后一公里”部分。

物聯(lián)網(wǎng)是一種連接物品的互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)的通信信道協(xié)調(diào)、控制和分析，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人，所有物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然產(chǎn)物，也是互聯(lián)網(wǎng)范圍的進(jìn)一步延伸和擴(kuò)展。

智能家居系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在小區(qū)家庭居住領(lǐng)域的應(yīng)用，以住宅為平臺(tái)，兼具建筑設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電和設(shè)備自動(dòng)化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)向傳統(tǒng)家居滲透發(fā)展的必然結(jié)果。與普通家居相比，智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，同時(shí)提供信息交互的功能，使得人們能夠隨時(shí)隨地查看家居信息、控制相關(guān)設(shè)備。其應(yīng)用主要有智能照明控制、智能家電控制和智能安防等方面[1]。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是將用戶的指令準(zhǔn)確無(wú)誤地傳達(dá)到指定的家庭電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化和智能化的監(jiān)控與管理。

首先，在傳統(tǒng)家居設(shè)備上安裝對(duì)應(yīng)的信息節(jié)點(diǎn)模塊，采集家居設(shè)備的相關(guān)信息，上傳或接收下發(fā)的控制命令信息，即能夠使信息數(shù)據(jù)到達(dá)最終的家居設(shè)備物品，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)“最后一公里”的連接，完成物品之間的信息互聯(lián)。

其次，需要搭建用于家居信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)募彝?nèi)部子網(wǎng)絡(luò)，將各種智能家居設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的暢通與可靠傳輸。

最后，為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程異地、隨時(shí)隨地地控制家居智能設(shè)備，需要搭建基于互聯(lián)網(wǎng)等公網(wǎng)或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)的智能家居云服務(wù)系統(tǒng)，將信息數(shù)據(jù)“最后一公里”的家庭子網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)來(lái)，組成覆蓋到家庭物品設(shè)備的智能家居式物聯(lián)網(wǎng)。結(jié)合上述設(shè)計(jì)要點(diǎn)，典型的智能家居系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示。

從智能家居體系架構(gòu)圖中可以看出，相比傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)，家庭內(nèi)部子網(wǎng)以及家居設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)這“最后一公里”網(wǎng)絡(luò)是智能家居技術(shù)研究的焦點(diǎn)。

根據(jù)用戶需要，家庭內(nèi)部子網(wǎng)的終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的通信可以采用有線和無(wú)線方式。有線連接方式成本低、技術(shù)簡(jiǎn)單、通信干擾小，如RS 485串口通信和局域網(wǎng)有線通信，但需要專業(yè)的建筑弱電施工人員參與布線和后期維護(hù)，系統(tǒng)靈活性較差，設(shè)備后期擴(kuò)展較麻煩。無(wú)線連接方式相對(duì)來(lái)說(shuō)較為靈活，安裝簡(jiǎn)單、使用方便、維護(hù)簡(jiǎn)易、系統(tǒng)擴(kuò)展可做到隨心所欲，但相比有線來(lái)說(shuō)信號(hào)傳輸穩(wěn)定性和抗干擾能力要差。

當(dāng)前智能家居室內(nèi)無(wú)線通信技術(shù)主要有ZigBee，WiFi，藍(lán)牙4.0和射頻RF433 MHz，RF2.4 GHz等幾種，這些技術(shù)基本都具備了低功耗，短距離，相對(duì)低成本，部署靈活等特點(diǎn)，非常適合家庭等小范圍場(chǎng)所內(nèi)的設(shè)備控制[2]。

不管是有線連接方式還是無(wú)線連接方式，都需在家庭內(nèi)部子網(wǎng)絡(luò)中部署一個(gè)家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，將各家居設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，通過(guò)WiFi或網(wǎng)線連接到家庭路由器。家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)智能家居家庭子網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要起到信息中轉(zhuǎn)的作用，將用戶指令傳遞到家居設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，搜集家居設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息并上報(bào)給用戶進(jìn)行監(jiān)控等[3]。

用戶通過(guò)手機(jī)、平板或電腦等終端設(shè)備可實(shí)時(shí)查詢、監(jiān)控各個(gè)家居設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)信息，可向指定的終端節(jié)點(diǎn)發(fā)起控制命令操作，控制節(jié)點(diǎn)設(shè)備的運(yùn)行。對(duì)于家庭室內(nèi)的用戶操作，所有數(shù)據(jù)信息交互均在家庭內(nèi)部子網(wǎng)內(nèi)完成，無(wú)需經(jīng)過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)系統(tǒng)；對(duì)于遠(yuǎn)程異地操作，則需要云服務(wù)系統(tǒng)的參與，將用戶控制命令正確地轉(zhuǎn)發(fā)至指定的家庭內(nèi)部子網(wǎng)，并將節(jié)點(diǎn)設(shè)備的回復(fù)信息轉(zhuǎn)發(fā)給用戶。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

從智能家居系統(tǒng)體系架構(gòu)圖中可以看出，整個(gè)系統(tǒng)包括四個(gè)部分，分別是家居設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)、家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、手機(jī)和電腦控制終端軟件以及遠(yuǎn)程云服務(wù)系統(tǒng)軟件。

2.1 家居設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)

家居設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)是智能家居系統(tǒng)控制管理的目標(biāo)設(shè)備，主要用于智能照明控制、智能家電控制、智能安防監(jiān)控和智能室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控等方面。在硬件實(shí)現(xiàn)上，采用STM8低功耗單片機(jī)加無(wú)線射頻外設(shè)，具備低成本、低功耗、無(wú)線傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。

家居設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)需要注冊(cè)到家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中，與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備建立通信連接，方能接收到用戶的控制指令，并將自身的相關(guān)狀態(tài)信息上報(bào)給用戶。家居設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)的主要處理流程有注冊(cè)流程、控制流程和狀態(tài)維護(hù)流程，如圖2所示。

2.2 家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是家庭內(nèi)部子網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，將家居設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一連接起來(lái)，并與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)互通。通過(guò)家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將用戶的指令傳遞到終端節(jié)點(diǎn)處，并能將終端節(jié)點(diǎn)的相關(guān)狀態(tài)信息反饋給用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在硬件上采用STM32低功耗單片機(jī)作為核心微處理器，具有豐富的多種外設(shè)接口資源。通過(guò)外接無(wú)線射頻模塊，如RF433 MHz射頻模塊，實(shí)現(xiàn)與家居設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)的無(wú)線射頻通信。外接WiFi集成模塊，實(shí)現(xiàn)與家庭路由器的連接互通，完成無(wú)線射頻通信到互聯(lián)網(wǎng)通信的轉(zhuǎn)換。

家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)除了參與終端節(jié)點(diǎn)的處理流程，還需要維護(hù)與手機(jī)控制軟件、遠(yuǎn)程云服務(wù)系統(tǒng)的通信連接。

2.3 手機(jī)和電腦控制終端軟件

手機(jī)和電腦控制終端軟件主要向用戶提供操作界面，接收下發(fā)用戶的控制指令，向用戶呈現(xiàn)智能家居設(shè)備的狀態(tài)信息等。手機(jī)端控制軟件可以基于主流的Android和iOS兩種平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)和實(shí)現(xiàn)[4]。電腦端的控制終端軟件可以采用Web化的形式，具備跨系統(tǒng)平臺(tái)等優(yōu)點(diǎn)。

手機(jī)和電腦控制終端軟件主要涉及本地管理控制和遠(yuǎn)程管理控制兩個(gè)處理流程。在本地管理控制中，控制終端軟件直接與家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接通信，使用常用的以太網(wǎng)Socket消息通信；在遠(yuǎn)程管理控制流程中，控制終端軟件首先需要連接遠(yuǎn)程云服務(wù)系統(tǒng)軟件，將用戶控制命令通過(guò)云服務(wù)系統(tǒng)軟件轉(zhuǎn)發(fā)給指定的家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并且通過(guò)云服務(wù)系統(tǒng)軟件接收控制響應(yīng)消息，具體流程如圖3所示。

2.4 云服務(wù)系統(tǒng)軟件

云服務(wù)系統(tǒng)軟件主要用于解決智能家居設(shè)備的遠(yuǎn)程智能控制和監(jiān)管。當(dāng)用戶不能直接連接到家庭內(nèi)部子網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要通過(guò)遠(yuǎn)程云服務(wù)系統(tǒng)軟件與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)建立通信連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能控制和狀態(tài)監(jiān)控。

云服務(wù)系統(tǒng)軟件處于公網(wǎng)之上，具備合法的公有IP地址，而家居設(shè)備網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處于家庭內(nèi)部子網(wǎng)，僅有內(nèi)部私有IP地址，其與遠(yuǎn)程云服務(wù)系統(tǒng)軟件的互聯(lián)涉及私網(wǎng)穿越技術(shù)。本系統(tǒng)使用常用的STUN/TURN私網(wǎng)穿越技術(shù)，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與外網(wǎng)云服務(wù)器之間的互通[5]。

3 結(jié) 語(yǔ)

目前，市場(chǎng)上智能家居類產(chǎn)品種類繁多，各大廠家都在踴躍進(jìn)入。但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，都只應(yīng)用了智能家居中的某項(xiàng)技術(shù)，距離真正意義上、無(wú)處不在的物聯(lián)網(wǎng)智能家居還有一段距離；尤其在智能應(yīng)用層融合方面，還需要多行業(yè)深度合作，才能提供一個(gè)全方位、高效、舒適的智能家居環(huán)境。另外，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、智能家居安全機(jī)制等的缺失也是制約物聯(lián)網(wǎng)智能家居發(fā)展的瓶頸，需要更多技術(shù)人員研究，共同推動(dòng)。

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