一種基于遠(yuǎn)程控制的智能家居設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案

段志雄　田新志　楊樂　薛宇航

摘要：目前電子智能家居市場(chǎng)多以大中型物聯(lián)網(wǎng)公司為主要設(shè)備生產(chǎn)商，但是其產(chǎn)品線大而多，且主要圍繞近場(chǎng)WiFi或近距離物聯(lián)網(wǎng)通信進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，實(shí)現(xiàn)智能家居遠(yuǎn)程控制的成熟產(chǎn)品也不多，本文以樹莓派為主控服務(wù)器，單片機(jī)為主控件，繼電器為輔控件，設(shè)計(jì)了一款具有短信、手機(jī)app及語音等遠(yuǎn)程控制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的智能家居設(shè)備。該設(shè)計(jì)操作便捷、成本低廉，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和市場(chǎng)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程控制；智能家居

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）18-0163-03

1 引言

伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，智能控制技術(shù)、智能生活也呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，人們的生活方式、生活追求也在發(fā)生著翻天覆地的變化。在這個(gè)對(duì)個(gè)性化、自動(dòng)化、快節(jié)奏、充滿樂趣的生活方式的追求下。人們對(duì)家居生活的品質(zhì)要求也越來越高，主要表現(xiàn)在居住環(huán)境舒適化、家居生活安全化，家居生活人性化、家居產(chǎn)品的智能化等方面。目前我國(guó)人們的生活水平得到了極大的改善，人們對(duì)生活的追求也發(fā)生了很大的變化，因此智能家居市場(chǎng)在我國(guó)潛藏著巨大商機(jī)。房地產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，房地產(chǎn)商為了提升自己的品牌效應(yīng)，提高業(yè)主的認(rèn)可度，在小區(qū)智能化建設(shè)方面也投入了大量的人力物力，再配合智能家居，這種“全智能”概念的提出，也將給我國(guó)房地產(chǎn)業(yè)帶來新的機(jī)遇，從另一方面來說，也意味著，智能家居產(chǎn)業(yè)在我國(guó)將迎來新的發(fā)展契機(jī)。

特別是近些年來，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速增長(zhǎng)的情況下，富有人群也越來越多，因此別墅和高檔公寓的銷售市場(chǎng)也大規(guī)模增長(zhǎng)，房地產(chǎn)開發(fā)商在智能化方面投入了大量的資金支持。這都為智能家居市場(chǎng)的發(fā)展提供了有力的動(dòng)力基礎(chǔ)。自2016年以來，全球范圍內(nèi)有關(guān)信息技術(shù)的創(chuàng)新持續(xù)加速，從而導(dǎo)致了信息領(lǐng)域新產(chǎn)品、新服務(wù)、新業(yè)態(tài)的大量涌現(xiàn)，持續(xù)激發(fā)新的消費(fèi)需求，成為日益活躍的消費(fèi)熱點(diǎn)。我國(guó)市場(chǎng)規(guī)模龐大，正處于居民消費(fèi)升級(jí)和信息化、工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化加快融合發(fā)展的階段，信息消費(fèi)具有良好發(fā)展基礎(chǔ)和巨大發(fā)展?jié)摿Α?針對(duì)以上需求，本文設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程控制的智能家居系統(tǒng)；該系統(tǒng)以樹莓派，手機(jī)和單片機(jī)為主體，并搭載基站，傳感器等設(shè)備，系統(tǒng)的主要功能包括以下幾個(gè)方面：

1） 家居環(huán)境信息監(jiān)測(cè)：通過單片機(jī)系統(tǒng)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，反饋至客戶；

2） 終端設(shè)備控制：通過app控制單片機(jī)設(shè)備的繼電器模塊，通斷線路；

3） 家居設(shè)施調(diào)控：根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)配合其他設(shè)備調(diào)控家居設(shè)施的工作狀態(tài)，達(dá)到節(jié)能、舒適的目的。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于遠(yuǎn)程控制的智能家居屬于新型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)范疇。其主要功能為讓居家設(shè)施在同一局域網(wǎng)下通過手機(jī)app，或在不同網(wǎng)絡(luò)下，通過手機(jī)發(fā)送短信指令在室內(nèi)控制繼電器模塊或智能家電，并調(diào)節(jié)溫度閾值以營(yíng)造適合的家居溫度，外出辦公時(shí)，通過樹莓派作為遠(yuǎn)程服務(wù)器并綁定設(shè)備MAC和IP地址，實(shí)現(xiàn)使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)控制遠(yuǎn)程化操作，可隨時(shí)隨地查看房屋情況，為居民的生活提供極大的方便。硬件采用APP-服務(wù)器-設(shè)備的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)控智能家居主要利用現(xiàn)代成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將“客戶端+服務(wù)器+終端“架構(gòu)模式組合而成，其系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖2所示。利用樹莓派，云服務(wù)器，終端硬件等組成物理鏈路，具有遠(yuǎn)程操控智能家電，檢測(cè)家居健康指數(shù)的云家居物聯(lián)服務(wù)的功能。

遠(yuǎn)控系統(tǒng)通過傳感器、網(wǎng)關(guān)、基站獲取傳感器感知的環(huán)境信息（如溫度、光度等環(huán)境信息），系統(tǒng)之后將反饋的信息解析傳送至用戶界面，根據(jù)反饋的信息系統(tǒng)配合其他智能硬件調(diào)控照明等設(shè)施工作，若有異常情況，系統(tǒng)推送預(yù)警信息至用戶。

3.1遠(yuǎn)程控制設(shè)計(jì)

近場(chǎng)通訊一般是創(chuàng)建內(nèi)部局域網(wǎng)，通過局域網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和指令實(shí)現(xiàn)，一般適用于辦公和家居等場(chǎng)所，但是局域網(wǎng)通信有地域限制，超過信號(hào)覆蓋范圍便不能與其他設(shè)備進(jìn)行通信，尤其是阻礙物較多的地方通信效果更差，而且需要投入更多的硬件。遠(yuǎn)控系統(tǒng)利用成熟的遠(yuǎn)控技術(shù)，結(jié)合運(yùn)營(yíng)商架設(shè)的無線基站，大大節(jié)省人力物力投資，只需支付一部分的服務(wù)費(fèi)；本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以“無線模塊+單片機(jī)”作為整個(gè)系統(tǒng)的指令處理核心。用手機(jī)和WiFi模塊作用戶控制端，用樹莓派作網(wǎng)關(guān)，STC89C52單片機(jī)作數(shù)據(jù)處理模塊，組合實(shí)現(xiàn)智能家居的遠(yuǎn)程控制。電路原理圖如圖3所示，打開手機(jī)app連接互聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)觸發(fā)開燈按鈕時(shí)，數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)通過WiFi-串口的TX，RX引腳發(fā)送給單片機(jī)解析處理，解析的數(shù)據(jù)值賦給單片機(jī)不同的回路，繼而實(shí)現(xiàn)不同的指令功能。如：點(diǎn)擊開燈，數(shù)據(jù)指令就通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送給單片機(jī)00110001的指令，引腳位置1，電路連通，引腳位置0，電路斷開。

3.2傳感器設(shè)計(jì)

傳感器設(shè)計(jì)的主要實(shí)現(xiàn)內(nèi)容是家居環(huán)境數(shù)據(jù)的智能監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有溫度，濕度和光照傳感器，這些元件通過單片機(jī)的引腳將數(shù)據(jù)發(fā)送給互聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，最后呈現(xiàn)給用戶。系統(tǒng)檢測(cè)到溫度達(dá)到某閾值（如19攝氏度），則連通溫度控制器將室溫降至或升高到宜居的室溫；室內(nèi)光照若是超過臨界值，則系統(tǒng)自動(dòng)切換至關(guān)閉模式或者另一個(gè)光強(qiáng)較弱的模式；室內(nèi)環(huán)境濕度若是超過臨界值，則系統(tǒng)自動(dòng)切換至關(guān)閉模式或者另一個(gè)光強(qiáng)較弱的工作模式。

在系統(tǒng)終端設(shè)備上，傳感器所采集的信息通過單片機(jī)將數(shù)據(jù)提交給CPU進(jìn)行處理，之后將采集到的溫濕度，光感信息提交至云服務(wù)器主機(jī)后臺(tái)，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷比對(duì)控制繼電器的限位開關(guān)控制家電。

3.3GSM指令模塊設(shè)計(jì)

信息指令實(shí)現(xiàn)的主要功能是進(jìn)行關(guān)于智能家居系統(tǒng)的信息推送功能。其應(yīng)用背景是，在智能家電中，傳感器探測(cè)到有一些異常事件需要處理，則以通過短信方式通知戶主這一方法就顯得尤為重要，以便戶主及時(shí)跟進(jìn)處理可能的危急情況。

短信通知模塊是整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的小分支，GSM-Modem作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分，一切均由中央控制器控制，中央控制器在智能家居中負(fù)責(zé)處理各類數(shù)據(jù)，其他的外圍設(shè)備，傳感器網(wǎng)絡(luò)和 GSM-Modem 短信通知設(shè)備都是通過連接中央服務(wù)器完成的。GSM-Modem 通過 GSM網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)到戶主的移動(dòng)設(shè)備端。短信推送模塊工作過程是在中央控制器檢測(cè)到傳感器（例如家居系統(tǒng)的溫度傳感器和光感傳感器）的一些信息后，中央控制器進(jìn)行判斷（比如根據(jù)溫度數(shù)據(jù)判斷是否室內(nèi)溫度過高或過低），然后中央控制器通過socket通信調(diào)用API驅(qū)動(dòng)短信模塊，實(shí)現(xiàn)短信模塊自動(dòng)發(fā)送短信至用戶的移動(dòng)設(shè)備[3]。

4 系統(tǒng)核心模塊實(shí)現(xiàn)

4.1 基于遠(yuǎn)程通信的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)的主要功能是遠(yuǎn)程化控制家電，實(shí)現(xiàn)“人走物可控”的功能需求。系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議作為傳輸控制層鏈路，結(jié)合無線基站，服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)組合為物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)控系統(tǒng)。用戶通過HTTP端口與云服務(wù)器主機(jī)建立TCP連接，服務(wù)器連接設(shè)備網(wǎng)關(guān)控制硬件[1]。系統(tǒng)利用API，客戶端發(fā)送“開燈”請(qǐng)求指令，服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)流后響應(yīng)請(qǐng)求將響應(yīng)信息發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再連接局域網(wǎng)控制家庭終端 ，終端最后將反饋信息通過此鏈路在客戶端顯示結(jié)果。

4.2短信通知服務(wù)模塊實(shí)現(xiàn)

短信通知主要是為了對(duì)系統(tǒng)異常處理的短信通知功能。在現(xiàn)代的家居生活中，當(dāng)傳感器設(shè)備檢測(cè)到異常情況，則系統(tǒng)可通過短信方式通知使用者，以便戶主及時(shí)處理危險(xiǎn)事件。具體模塊設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

短信通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給用戶的手機(jī)，而短信模塊通知服務(wù)的推送是使用 GSM-MODEM 的AT命令來實(shí)現(xiàn)的。處理設(shè)備將短信文本信息（中文）以特定的格式進(jìn)行短信編碼轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，建立從ARM板到GSM-MODEM的通信鏈路（使用串口通信實(shí)現(xiàn)），然后將AT命令通過該通信鏈路（串口）進(jìn)行發(fā)送，AT命令中將短信編碼的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，最終驅(qū)動(dòng)GSM-MODEM進(jìn)行短信的發(fā)送[2]。

4.3 WiFi-串口通信設(shè)計(jì)

串口通訊主要是為了解決WiFi與單片機(jī)的通信問題，真正意義上實(shí)現(xiàn)載波信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。WIFI模塊和單片機(jī)的通訊主要利用了wifi模塊的串口（VCC 、RX、TX、GND），wifi模塊將串口轉(zhuǎn)化成無線wifi信號(hào)，反之，串口可將WiFi信號(hào)轉(zhuǎn)化成單片機(jī)能識(shí)別的機(jī)器指令。WiFi模塊通過TX，RX引腳將WiFi載波信號(hào)通過串口轉(zhuǎn)換成只有0和1的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，之后將二進(jìn)制數(shù)據(jù)提交給單片機(jī)的CPU進(jìn)行處理，進(jìn)而獲得指令信息，指令賦0，1值給單片機(jī)引腳，之后觸發(fā)電子元件工作，控制繼電器模塊實(shí)現(xiàn)高電平通路，低電平斷路的功能。

5 軟件設(shè)計(jì)流程

軟件設(shè)計(jì)流程是為了能輔助開發(fā)者更好地實(shí)現(xiàn)客戶的需求，實(shí)現(xiàn)開發(fā)效益最大化。用戶可通過手機(jī)app進(jìn)入該軟件界面，初次使用用戶需要注冊(cè)賬號(hào)和聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息初始化。具體軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

在app執(zhí)行按鈕操作后，若設(shè)備未聯(lián)網(wǎng)，則app請(qǐng)求聯(lián)網(wǎng)操作觸發(fā)通信；若網(wǎng)絡(luò)連通，按鈕將點(diǎn)擊事件通過局域網(wǎng)或公共網(wǎng)絡(luò)提交給服務(wù)器網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)通過無線模塊，即WiFi-串口轉(zhuǎn)發(fā)給單片機(jī)芯片存儲(chǔ)執(zhí)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制家居智能設(shè)備。

6 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)是為方便家居遠(yuǎn)程操作而設(shè)計(jì)的，具有監(jiān)測(cè)，操控一體化功能 ，利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)實(shí)現(xiàn)新的功能，具有一定的市場(chǎng)前瞻性。系統(tǒng)具有如下功能：

（1） 遠(yuǎn)程指令控制：將APP的分路控制按鈕指令通過云服務(wù)器發(fā)送給網(wǎng)關(guān)進(jìn)行存儲(chǔ)，樹莓派再將指令通過串口提交給單片機(jī)處理信息實(shí)現(xiàn)指令控制；

（2） 實(shí)時(shí)家居環(huán)境監(jiān)測(cè)：軟件通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)家居健康狀況，根據(jù)所反饋的溫濕度和光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)配合其他智能硬件進(jìn)行智能硬件的環(huán)境數(shù)據(jù)調(diào)控；

（3） 恒溫控制：通過溫度控制器結(jié)合終端硬件調(diào)控臥室，客廳空調(diào)或水暖的溫度，達(dá)到人體感受的舒適溫度，只需設(shè)定閾值，便保持在這個(gè)溫度。

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