基于模塊化的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

王榮　陳虹君

摘要：針對目前市場對智能家居需求的不斷增加，以及智能家居市場所面臨的造價高、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等現(xiàn)狀。介紹了模塊化設(shè)計在智能家居中的設(shè)計思路，以及利用模塊化設(shè)計解決上述的智能家居市場所面臨的現(xiàn)狀。采用無線通信技術(shù)作為智能家居之間的命令傳輸方式。探討了智能家居面臨的網(wǎng)絡(luò)安全問題的解決方案。以中央控制系統(tǒng)、安防、無線控制、網(wǎng)絡(luò)以及環(huán)境控制五大模塊為主體打造用戶可自主設(shè)計，可裁剪式的智能家居系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：模塊化設(shè)計;智能家居;無線通信;控制系統(tǒng);網(wǎng)絡(luò)安全

中圖分類號：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）01-0205-03

Abstract：In view of the increasing demand for smart home in the market， as well as the high cost and inconsistent standards faced by the smart home market. This paper introduces the design ideas of modular design in smart home， and the current situation of using modular design to solve the above-mentioned smart home market. Wireless communication technology is used as the command transmission mode between smart home. This paper discusses the solutions to the network security problems faced by smart home. The system can be controlled by the central control system.

Key words： modular design; smart home; wireless communication;control system; network security

1引言

智能家居可以極大地方便人們的生活以及提升居家體驗，自1984年美國出現(xiàn)第一棟“智能型”建筑以來，智能家居的各種設(shè)計方案以及技術(shù)便不斷發(fā)展并完善。但隨著行業(yè)規(guī)模的不斷增大以及智能家居應(yīng)用越來越普遍，潛在的問題便不斷暴露出來，比如：行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并未統(tǒng)一;相對于傳統(tǒng)家居造價昂貴不能被大眾普遍應(yīng)用;還有自網(wǎng)絡(luò)發(fā)展之初便面臨的網(wǎng)絡(luò)安全問題。

模塊化設(shè)計是實施大批量定制生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。[4]該設(shè)計方案利用模塊化設(shè)計的可裁剪性，使得用戶得以根據(jù)自己的需求增加或刪減功能模塊，使系統(tǒng)更適合用戶的同時降低成本。用戶在外可通過網(wǎng)絡(luò)共享存儲模塊實時在便攜式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上了解家庭情況;居家時可享受環(huán)境控制模塊給用戶帶來的舒適體驗。

該設(shè)計方案還探討了智能家居面臨越來越復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)安全問題的解決方案，希望為解決網(wǎng)絡(luò)安全問題提供新的思路。

2模塊化設(shè)計

該設(shè)計將智能家居分為中央處理系統(tǒng)、安防模塊、無線通信模塊、網(wǎng)絡(luò)共享存儲模塊、居家環(huán)境控制模塊[1]，模塊化設(shè)計可以使智能家居的打造更簡單，在提高用戶體驗的同時更大程度的節(jié)約成本。整個系統(tǒng)分為幾大模塊，用戶可以根據(jù)自己的意愿和興趣愛好實現(xiàn)智能家居個性化設(shè)計。所有智能家具都可以更具用戶的需求進(jìn)行搭配，在保證模塊化框架系統(tǒng)的完整性，將可以實現(xiàn)可裁剪式安裝。通過及時更換淘汰落伍的模塊將可以最大限度地在保障用戶體驗的前提下?lián)碛凶畲蟮膲勖?/p>

中央處理系統(tǒng)（下文簡稱為“系統(tǒng)”）可看作是所有本公司智能家具（下文簡稱“智能家具”）的大腦，當(dāng)有智能家居系統(tǒng)存在時。所有智能家具將不再獨立運算分析，而是將所有參數(shù)傳輸?shù)较到y(tǒng)中，由系統(tǒng)綜合各家具的運行情況做同一的指令操作。并且實時監(jiān)控智能家具的使用情況和是否出現(xiàn)故障。如果出現(xiàn)故障則第一時間將故障情況發(fā)送到用戶手機(jī)中，再請求用戶是否維修。用戶對所有智能家具和系統(tǒng)的使用和操作權(quán)限高于操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)是服務(wù)于用戶的工具，在用戶不對各智能家具做出指令時由系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)配。

各個模塊有自己獨立的子系統(tǒng)（處理中心），采用分布式布局，中央系統(tǒng)控制子系統(tǒng)，子系統(tǒng)再控制各個模塊下所屬的智能家具，分級管理來應(yīng)對各種系統(tǒng)故障。即使子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，也不會引起智能家具的停用只會影響一些智能功能的用戶體驗。

2.1各模塊系統(tǒng)功能

2.1.1中央處理系統(tǒng)

中央處理系統(tǒng)是整個家居系統(tǒng)信息交互的中心，可以實現(xiàn)對各個功能模塊的管路的配置，可以實現(xiàn)對其他四個子模塊的信息采集、顯示和反饋給用戶。中央處理系統(tǒng)安裝有觸屏顯示設(shè)備、語語音控制系統(tǒng)，并且可以通過相應(yīng)的App用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對各個功能模塊的信息獲取和控制，實現(xiàn)人機(jī)交互。還可通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法學(xué)習(xí)用戶的生活習(xí)慣，進(jìn)行自動開關(guān)窗簾，調(diào)節(jié)空調(diào)溫度等簡單操作。

2.1.2安防模塊

隨著人們生活基本需求的提升和信息科技的高速發(fā)展，居家安全目前越來越被重視。人們越來越關(guān)注自身和財產(chǎn)的安全;同時社會節(jié)奏越來越快，一旦出現(xiàn)安防問題，將打亂人們的生活節(jié)奏，因此防患于未然是重中之重。目前無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展越來越快，5G推廣使用，為遠(yuǎn)程安防監(jiān)控提供了足夠的技術(shù)支持。無線終端設(shè)備的普及，使得遠(yuǎn)程訪問更加便利，可以實時查看家中的閉路視頻、可視對講設(shè)備;各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器如紅外傳感器、煙霧報警器、門磁傳感器也可通過藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee等無線傳輸網(wǎng)絡(luò)實時向系統(tǒng)匯報監(jiān)測情況[2]。

2.1.3無線通信模塊

無線遙控在生活中有廣泛的應(yīng)用，并且功能已經(jīng)可以滿足大多數(shù)生活的需要，并且成本較低。但是如果全部的家電都用無線遙控來控制的話，使用過程中十分容易混淆，導(dǎo)致命令傳輸出錯。而有線傳輸網(wǎng)絡(luò)通用性不強(qiáng)、布線復(fù)雜而且容易被破壞而引起系統(tǒng)故障，不太符合智能家居的人性化原則。[7]因此無線通信模塊可在各個智能模塊之間搭建無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，如使用IEEE802.15協(xié)議工作，在全球通用的2.4GHz ISM頻段的藍(lán)牙;建立于IEEE802.15.4協(xié)議之上， 傳輸速度較藍(lán)牙速度慢， 但成本與藍(lán)牙相比較小的ZigBee網(wǎng)絡(luò);創(chuàng)建于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的WI-FI技術(shù)等。[6]降低屋內(nèi)各智能家居交互的成本提高傳輸效率，還可以通過無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通用戶的無線終端設(shè)備，使得用戶可以遠(yuǎn)程控制，提高居家的便捷性和舒適性。

2.1.4網(wǎng)絡(luò)共享存儲模塊

隨著智能家居運行時間的增加，所帶來的數(shù)據(jù)增長也是一個不容忽視的問題，還要對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和備份，以及支持無線查看，并且居家網(wǎng)絡(luò)共享模塊顯然不能安裝專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，那成本將大大增加。網(wǎng)絡(luò)共享儲存模塊NAS 能夠支持多種協(xié)議（如NFS、CIFS、FTP、HTTP等），而且能夠支持各種操作系統(tǒng)，可提供跨平臺文件共享功能[2]。家庭網(wǎng)絡(luò)存儲NAS集中儲存多媒體數(shù)據(jù)，用戶通過智能手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)播放器、計算機(jī)等媒體播放設(shè)備，實現(xiàn)對家庭多媒體的訪問。[3]并且可以遠(yuǎn)程操控家居，比如提前打開空調(diào)，提前在浴缸中放滿熱水等。

2.1.5居家環(huán)境控制模塊

目前大城市的環(huán)境空氣質(zhì)量隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展不斷降低，家作為一個日常生活起居的地方，保證健康舒適的居家環(huán)境是必不可少的。居家環(huán)境控制模塊可以通過WIFI 無線開關(guān)來實現(xiàn)電路的閉合和斷開，來實現(xiàn)空氣凈化器，空調(diào)，門窗的遠(yuǎn)程和智能控制。還可以實現(xiàn)對盆栽的自動澆灌和寵物的自動喂養(yǎng)等[2]。

3遭遇網(wǎng)絡(luò)攻擊解決方案

智能家居目前發(fā)展遇到的一大瓶頸就是網(wǎng)絡(luò)安全性難以保障。如果家中智能家居被人為惡意操控，將帶來十分可怕的結(jié)果。該設(shè)計提出以下解決方案：

操作系統(tǒng)與家中所有電腦等具有獨立運算的設(shè)備獨立，自主運算以及控制所有智能家具，以保護(hù)系統(tǒng)的安全。系統(tǒng)對于連接的便攜式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用MAC地址認(rèn)證。[5]系統(tǒng)的防火墻24小時向公安網(wǎng)絡(luò)安全部門反饋安全狀況，防火墻所傳輸?shù)男畔⒅话到y(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全信息，不會侵犯任何用戶的隱私信息。當(dāng)系統(tǒng)檢測到防火墻遭到攻擊時將立即啟用備份于云服務(wù)器中的云殺毒軟件，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较到y(tǒng)中。在防火墻檢測到云殺毒軟件暫時無法抵御本次網(wǎng)絡(luò)攻擊時，將立即斷開系統(tǒng)多所有智能家具的控制并且將操作權(quán)限全權(quán)移交給用戶，并且提示用戶系統(tǒng)遭到攻擊請立即報警。

在系統(tǒng)正常運行的情況下，所有智能家具不再連接網(wǎng)絡(luò)，以保證不受網(wǎng)絡(luò)攻擊。當(dāng)無系統(tǒng)狀態(tài)下，家具通過WI-FI連接至用戶手機(jī)，以用戶手機(jī)控制完成智能運行。未連接到用戶手機(jī)時，將以普通家具的形式完成基本功能。在系統(tǒng)遭受攻擊并且癱瘓斷開所有對智能家具控制時，不接受電子指令，只接受按鍵指令。并且在有條件情況下進(jìn)行身份驗證。

當(dāng)系統(tǒng)遭到網(wǎng)絡(luò)攻擊癱瘓但又后期被云殺毒軟件清理病毒后，將進(jìn)行系統(tǒng)自檢，檢查其功能是否遭到病毒的破壞，若自檢系統(tǒng)無法運行，將直接匯報系統(tǒng)損壞。若自檢沒有出現(xiàn)問題，則用過網(wǎng)絡(luò)密鑰認(rèn)證智能家具并且對各智能家具進(jìn)行檢測，檢測無誤后開始重新運行。

若自檢出現(xiàn)問題則請求重裝系統(tǒng)，或請求用戶預(yù)約工程師上門檢測，最大程度上保護(hù)用戶的安全。

4結(jié)語

本文設(shè)計的模塊化智能家居系統(tǒng)針對現(xiàn)有智能家居的一些不足做出了一些改進(jìn)，用戶可根據(jù)自身喜好裁剪智能家居模塊以達(dá)到降低成本的目的，以及方便用戶對于智能家居控制的體驗，對于延長智能家居的使用壽命有一定的作用。并且對于網(wǎng)絡(luò)安全問題提出了新的解決方案，對實際應(yīng)用提供了新的部署思路。但該設(shè)計對室內(nèi)智能家居無線通信技術(shù)的選擇以及各技術(shù)在實際應(yīng)用中具體情況上缺少相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)，將在未來的實驗中加以補充。

模塊化設(shè)計智能家居系統(tǒng)其獨特的可裁剪性將會成為未來智能家居系統(tǒng)設(shè)計的一大趨勢，在下一步研究中將加入云計算為中央處理系統(tǒng)增加算力，有強(qiáng)大的算力支持，該設(shè)計將對智能家居的發(fā)展產(chǎn)生強(qiáng)大的推動作用。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：梁書】