基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)分析

焦提鵬

摘 要 智能家居安全問題引發(fā)極大的關(guān)注，為此，本文重點(diǎn)探討基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，從底層結(jié)構(gòu)和上層結(jié)構(gòu)兩個(gè)角度進(jìn)行智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)，使之成為具有通用性、易移植性的可遠(yuǎn)程控制智能家電的系統(tǒng)，體現(xiàn)其良好的穩(wěn)定性和擴(kuò)展性。

關(guān)鍵詞 物聯(lián)網(wǎng) 智能家居 控制系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

物聯(lián)網(wǎng)滲透到智能家居系統(tǒng)之中，通過動態(tài)異構(gòu)體系結(jié)構(gòu)的傳感器和應(yīng)用程序，進(jìn)行智能家居的高級服務(wù)和家庭設(shè)備管理，可以引入ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進(jìn)行基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用，通過Android客戶端實(shí)現(xiàn)終端控制，由社區(qū)物業(yè)客戶端實(shí)現(xiàn)能耗管理和家庭醫(yī)療監(jiān)測，合理設(shè)計(jì)智能家居控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)、硬件和軟件，實(shí)現(xiàn)物物相連、設(shè)備集中控制的綠色節(jié)能智能家居控制系統(tǒng)。

1基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)架構(gòu)

可以引入ZigBee技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)進(jìn)行智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部組網(wǎng)通信和鏈接，并實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸與外部服務(wù)器的通信鏈接，主要由底層結(jié)構(gòu)和上層結(jié)構(gòu)組成，其中：底層結(jié)構(gòu)由終端節(jié)點(diǎn)和家庭網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，終端節(jié)點(diǎn)涵蓋家庭醫(yī)療設(shè)備節(jié)點(diǎn)、智能家電設(shè)備節(jié)點(diǎn)、能耗監(jiān)控設(shè)備節(jié)點(diǎn)，主要通過內(nèi)置ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集和傳輸。家庭網(wǎng)關(guān)主要通過新增Wi-Fi模塊的ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對外通信。上層結(jié)構(gòu)主要包括有客戶端和控制終端，通過客戶端實(shí)現(xiàn)社區(qū)能耗管理和集中控制，通過網(wǎng)絡(luò)管理模塊、子系統(tǒng)加載器模塊和數(shù)據(jù)解析器模塊，處理復(fù)雜的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對智能家居控制系統(tǒng)的管控。并通過Andriod智能手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對外管理，實(shí)時(shí)查看和獲悉系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)查詢。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)架構(gòu)層次主要為：（1）終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)和家庭網(wǎng)關(guān)。采用CC2530核心芯片實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信，由家庭網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器構(gòu)建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集、更新和處理，并對ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。（2）通過Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)、家庭網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器的鏈接，由服務(wù)器進(jìn)行智能家居控制系統(tǒng)的日常管理和維護(hù)，并提供節(jié)點(diǎn)管理服務(wù)、數(shù)據(jù)查詢和系統(tǒng)管理等服務(wù)。（3）Andriod控制終端通過Internet網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器，經(jīng)身份驗(yàn)證之后查看節(jié)點(diǎn)信息，并對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修改和管理。

2基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）家庭醫(yī)療設(shè)備節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)與應(yīng)用。通過可穿戴的便攜式設(shè)備的傳感器節(jié)點(diǎn)，檢測心率值、血氧飽和度等健康數(shù)據(jù)，將其傳送至家庭網(wǎng)關(guān)和客戶端。其硬件構(gòu)成包括ZigBee芯片、電源管理模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，實(shí)現(xiàn)對人體心率參數(shù)的監(jiān)測，有效彌補(bǔ)單一閾值監(jiān)測的缺陷。

（2）智能家電控制節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)和應(yīng)用。主要接收家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)送的家電控制報(bào)文，采用紅外控制、繼電器控制、電機(jī)控制等方式進(jìn)行反饋。其主要構(gòu)成包括有無線通信模塊、執(zhí)行模塊和受控家電終端，其中：無線通信模塊解析底層家電控制終端節(jié)點(diǎn)與智能家居網(wǎng)關(guān)間的數(shù)據(jù)，并通過自學(xué)習(xí)型紅外執(zhí)行模塊，對智能家居中的家電實(shí)現(xiàn)無線控制。受控家電終端則包括有CC2530模塊、繼電器模塊、進(jìn)步電機(jī)等。

（3）家居能耗監(jiān)控節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)與應(yīng)用。主要構(gòu)成部分為CC2530芯片、能耗測量芯片和電源管理模塊，采集電視、空調(diào)、熱水器等數(shù)據(jù)，將采集的能耗數(shù)據(jù)經(jīng)由CC2530無線通信芯片上傳和計(jì)算處理。

（4）家庭網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)與應(yīng)用。各個(gè)家庭有各自獨(dú)立的家庭網(wǎng)關(guān)，由ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，可以采用有線連接和無線連接的不同方式，將終端節(jié)點(diǎn)的ZigBee上傳到特定的IP地址和網(wǎng)絡(luò)端口，并進(jìn)行服務(wù)器命令數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器間的可靠連接。

3智能家居控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與應(yīng)用

（1）家庭醫(yī)療設(shè)備節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。初始化系統(tǒng)進(jìn)入算法監(jiān)測狀態(tài)之后，設(shè)計(jì)可穿戴便攜式設(shè)備跌倒監(jiān)測及健康體征數(shù)據(jù)監(jiān)測程序，采用分階段式監(jiān)測加速度值超過設(shè)置范圍的心率異常情況，由此判定人體跌倒的情況，并經(jīng)由CC2530無線通信模塊傳送報(bào)警信息。

（2）家電控制節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。初始化家電終端節(jié)點(diǎn)之后，由CC2530模塊接收數(shù)據(jù)，并判定報(bào)文中的地址信息，丟棄與目的地址不相匹配的報(bào)文，解析判斷符合本節(jié)點(diǎn)的設(shè)備類型，執(zhí)行相應(yīng)操作并進(jìn)行報(bào)文的發(fā)送和反饋。

（3）能耗設(shè)備監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。初始化能耗設(shè)備終端節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)之后，采集能耗數(shù)據(jù)，由通信模塊CC2530接收家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)出的通斷電、數(shù)據(jù)存儲、繼電器操作等指令，執(zhí)行相應(yīng)操作，進(jìn)行采集數(shù)據(jù)的自動發(fā)送、解析、存儲。

（4）網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。由家庭網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換器處理各個(gè)節(jié)點(diǎn)子設(shè)備的數(shù)據(jù)，經(jīng)由TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和上傳、處理。上層服務(wù)器則將接收的用戶終端設(shè)備控制指令，經(jīng)由TCP/IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至家庭網(wǎng)關(guān)，再將自己的IP地址反饋至服務(wù)器和家庭網(wǎng)絡(luò)移動終端。

4結(jié)語

綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思維，進(jìn)行系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)和軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)對用戶指令的響應(yīng)，進(jìn)行終端節(jié)點(diǎn)信息的采集、傳輸、處理和存儲，具有完整性和可推廣性。

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