智能家居系統(tǒng)的設計與應用

陶成　梅瑩瑩　錢佳佳

摘要：在網絡迅速發(fā)展的當下，隨著5G網絡的應用，物聯(lián)網等相關技術得到進一步升華，隨之而來的家居系統(tǒng)智能化也成為一種必然趨勢深入千家萬戶，給用戶們帶來便捷。為了消除家中無人，電氣火的安全隱患，和方便用戶無線控制家電，設計了一款智能化家居系統(tǒng)，利用了計算機、網絡通信、無線、電力自動化等技術。以內嵌式微處理器為根基，以WIFI為血液以電力布線為芥蒂以App為手段建立起一個集合了家電設備自動化、防盜安全、娛樂、生活為一體的智能家居系統(tǒng)設計。

關鍵詞：智能家居;傳感器;防電氣;防盜;ARM微處理器

中圖分類號：TP302? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）07-0192-03

在社會快速發(fā)展的狀態(tài)下，人們生活品質不斷飛躍，所以人們的需求也不斷升級，我們希望能滿足高層次的生活水平，從而出現(xiàn)了智能家居。

1 智能家居網絡系統(tǒng)方案設計

1.1 智能家居整體設計

智能家居整體是由多個溫度傳感器，濕度傳感器，光敏電阻，CO濃度傳感器以及小型CPU和中控組成的。

所以我們采用分層思想，對智能家居的整體設計分為四大層。

分別是：數(shù)據(jù)采集層，數(shù)據(jù)傳輸層，服務器層，用戶層。數(shù)據(jù)采集層負責收集傳感器發(fā)出的信號，將信號通過TCP/IP協(xié)議傳輸給信號接收器統(tǒng)一管理和打包。數(shù)據(jù)傳輸層將打包好的數(shù)據(jù)包交給中控網關和路由器發(fā)送給服務器。服務器層將數(shù)據(jù)拆包，分析新舊數(shù)據(jù)的變化閾值做出不同的判斷，并向用戶層及時做出響應。

1.2智能中控系統(tǒng)

智能中控系統(tǒng)一般是以一種小型服務器的形式出現(xiàn)的，它的主要任務是搭載家用電器以及智能設備的運行終端，由高級指揮低級，通過專業(yè)的智能芯片配合App控制低級家電，簡單來說它是智能家居系統(tǒng)的核心組成部分，生產這種系統(tǒng)需要大量的技術。

涉及的技術主要有多媒體技術，是用來和中控系統(tǒng)相互相應配合，從而控制各種已經上線的電器的全開全關的場景控制，在居室環(huán)境下，體驗不同的氛圍，只需要給智能交互系統(tǒng)發(fā)布語音命令切換模式，再根據(jù)預先設計的模式控制家居的開關。

1.2.1傳感器模塊介紹

我們選用的溫濕度傳感器是DHT系列的11號傳感器，雖然精度非企業(yè)專業(yè)標準，但是其價格和速度也盡如人意。

App的控件其實并不復雜，除了圖片就是按鈕，按鈕有動態(tài)按鈕和靜態(tài)按鈕。動態(tài)按鈕主要是后臺配置XML文件前臺獲取XML文件的各項數(shù)據(jù)，動態(tài)的部署按鈕內容;靜態(tài)的主要控制開關，（照明、投影、音量、LED等設備）家居的控制主要是通過點擊App的按鈕或者菜單，App再發(fā)送URL給云端服務器。

1.3 智能照明系統(tǒng)

（1）功能介紹：

智能照明系統(tǒng)，智能照明就是對住宅內的各種燈光進行智能管理與控制，跟傳統(tǒng)家居照明相比，它可以實現(xiàn)對LED燈的調光、一鍵轉換場景、一對一遙控及分區(qū)燈光全開全關等功能。調光的細膩度和使用的穩(wěn)定性就是它的重要特點。它是利用先進的電磁調壓及電子感應技術，對供電進行實時監(jiān)控并跟蹤自動平滑地調節(jié)電路電壓與電流幅度，使得照明更加智能化，達到優(yōu)化供電目的的照明控制系統(tǒng)，舉個例子：

智能照明，用戶可以通過智能手機或者智能設備開啟智能模式，這樣智能照明的燈就可以隨著天氣的變化進行光線的管理，當陰天時，燈光會變得較為亮，天晴時會自動關閉燈光，晚上當你進入家門時，燈光會自動打開，當你看電視時，燈光自動調節(jié)到適合看電視的暖光，時刻為您服務，當您晚上睡覺時，燈光自動關閉。也可以設置為人工調節(jié)，這就需要用戶個人自己調節(jié)燈光，關閉或者開啟。這就是智能燈光的魅力。

1.4 智能交互系統(tǒng)

智能交互系統(tǒng)主要是人機交互，智能語音音箱，智能化妝鏡，智能面板等。

智能語音音箱運用的技術主要是語音識別，自然語言處理，ASR，TTS，NLP，AEC。

首先，一般有個全天24小時偵測喚醒詞的麥克風，一旦檢測到喚醒詞，就把之后的語音傳到語音識別服務器上。

語音轉文字簡稱ASR，現(xiàn)在這項技術已經成熟了，可以根據(jù)上下文理解和大數(shù)據(jù)匹配，非常準確。

1.5 智能化安防系統(tǒng)

智能化安防系統(tǒng)主要是其相關內容和服務的信息化、圖像的傳輸和儲存、數(shù)據(jù)的儲存和處理等一系列的應用。就基于該系統(tǒng)而言、一個完整的智能化安防系統(tǒng)主要包括三大部分：門禁系統(tǒng)、報警系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。

1） 防盜報警系統(tǒng)

該系統(tǒng)的前端設備為各種類別的報警傳感器或探測器;系統(tǒng)的終端是顯示/控制/通信設備，它可應用獨立的報警控制器，也可采用采用報警中心控制臺控制。用戶在外出時，可能會遇到一些不法分子入室盜竊，這個防盜報警系統(tǒng)就可以很好的應對這個問題，該防盜系統(tǒng)主要是防止有人用非法手段入室，如果非法入室，設備自動報警，窗戶自動關閉，系統(tǒng)通知主人?？梢宰龀隹焖俚膽獙Υ胧?，以便于將其抓獲。

2）防火，防水，防漏氣

通過設備檢測室內煙霧濃度、燃氣泄漏，在到達一定的濃度時，自動開啟報警功能并進行相應措施，外面刮風下雨時，智能檢測設備會根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)按照用戶預先設計好的方案實施動作。比如濕度太大就關閉窗戶等。

3）門禁系統(tǒng)

該系統(tǒng)由門磁和紅外人體傳感器組成，因為人是恒溫的，所以它可以檢測到是否有人，當用戶打開系統(tǒng)時，所有入室的人或者動物，都會被感應到，并發(fā)出短信提醒用戶，讓用戶采取相應措施。涉及的技術將在第六節(jié)詳細說明。

1.6 智能窗簾窗戶

智能窗簾是帶有一定自我反映、調節(jié)、控制功能的電動窗簾。可根據(jù)室內環(huán)境狀況以及用戶個人習慣來自動調節(jié)光線強度、空氣濕度、平衡室溫等，有智能燈光、智能雨控、智能風控三大突出特點。

由用戶自己定制窗簾來實現(xiàn)，窗戶通過時控和遙控來控制，通過光傳感器和濕度傳感器來接收信號，但由于不同時間的光強和濕度的不一樣，用戶會有不同的要求，在控制上增加了遙控和時控顯得更加人性化，在長時間的工作下，系統(tǒng)通過機器學習，可以自動得到用戶的習慣，以便于用戶可以更加舒適的休息。

并且溫濕度傳感器DHT11將當前捕捉到的環(huán)境數(shù)據(jù)處理反應打包發(fā)送給信號接收器，信號接收器將數(shù)據(jù)拆包分析，劃定閾值范圍的數(shù)據(jù)屬性，然后交給微處理器去響應中控系統(tǒng)控制窗戶的流量，窗簾的開閉，空調的模式。

窗簾布的材質有多種選擇，要求尺寸要大過窗戶，一般使用側壁裝，有投影需求的用戶可以選擇更好的材料，需要在后面額外增加一個收縮板，可以滿足晚上的投放設備使用，投放的效果也不會被窗外的光線所影響，如果不做投影，可以在幕布式窗簾布上制作個性圖案來裝飾空間。

1.7 智能安防系統(tǒng)的應用技術

涉及安防的設備有智能人體探測器，智能門窗貼，智能攝像頭與紅外幕簾探測儀。

智能人體探測儀在人體感應范圍內，有人來回走動時，設備能將人體的移動信號報給主機，主機再將報警信息推送至手機App，已達到實時報警的功能，放置在門口、窗臺用來檢測并報告不請自入的外來人員。

智能門窗貼分為兩個部分，一個紅外發(fā)射管，一個紅外接收管，紅外發(fā)射管采用的是SIR928-6C-F的光遮端器專用的紅外發(fā)射管，由于是M/D封裝，低電壓，峰值波長940nm，可靠性極高，反應時間快，也不含鉛等重金屬，符合RoHS特性。紅外接收管我們采用IR294-A，采用原因依然是反應速度快靈敏度高。將它們組裝在芯片上還可以連接中控系統(tǒng)的網絡，如果接收器未接收到紅外信號，發(fā)射器將實時信息發(fā)送到中控系統(tǒng)，再有中控系統(tǒng)發(fā)送到手機App上，用來檢測門窗開啟，保護財產安全。

智能攝像頭是智能安防的核心，如果沒有攝像頭，那么那些產品都是空有其表。攝像頭應該采用阻燃PC材料，吸頂安裝，內置Linux嵌入式系統(tǒng)，可以通過網絡云臺旋轉，添加錄音功能，將家庭的實時畫面保存發(fā)送給App中該功能模塊界面上，利用OpenCV技術識別人臉，如果是陌生人進入家中被攝像頭探測到，會分析體態(tài)特征，并發(fā)出警告以及通知房主。達到人不在家卻看到家的目的。該Linux系統(tǒng)類似于一個低配手機系統(tǒng)，只需要聯(lián)網上傳存儲和機械控制，所以涉及的硬件不是很多，比如網卡，存儲器。

1.8 智能暖通系統(tǒng)

1.8.1功能介紹

暖通是建筑的一個組成部分。在學科分類中的全稱為供熱供燃氣通風及空調工程，包括：采暖、通風、空氣調節(jié)這三個方面，從功能上說也是未來家庭必不可缺的一部分。智能暖通系統(tǒng)就是通過智能化管理方法對房間里的采暖，通風，空氣調節(jié)這三個方面采取智能化管理，使得家居生活更加舒適。舉例：通過智能設備對家中的空調或者暖氣進行管理，把房間溫度保持在舒適的溫度，當超過這個溫度時自動斷掉暖氣的輸入或者自動關閉空調，當?shù)陀谑孢m的溫度時，自動連接上暖氣或者自動開啟空調，通風與空氣調節(jié)也是一樣，當你在廚房燒飯時自動開啟通風，將油煙氣處理后輸送到外面，將外面新鮮空氣送到房內。從而使室內保持良好的空氣質量。

1.8.2 技術要求

智能暖通系統(tǒng)所涉及的技術比較復雜，它需要實現(xiàn)智能溫控閥，散熱器恒溫控制閥，流量調節(jié)閥。核心是恒溫控制器、溫濕度傳感器、溫包。熱水器、地熱、中央空調、空氣抽濕器、加濕器以及空氣過濾器都是聯(lián)合使用的，由上文說的溫濕度傳感器捕捉環(huán)境狀態(tài)，再由App設定模式，互聯(lián)網傳送命令，WIFI控制家電，做到人剛下班，滑動手機設置下班模式，到家就能享受熱水浴，以及享受合適的室溫。

2 結論

總之，智能家居在國內市場還算空洞，現(xiàn)在阿里正在努力研發(fā)這項技術，并且有所成就，在杭州有一家酒店叫作非住不可酒店，已經實現(xiàn)了無人酒店。從開房間到零食售賣，送餐，全都是機器人和機械臂。只有后廚是人工。開房間只需要在一個智能交互設備上按照指示點擊屏幕就可以完成信息注冊合法入住。酒店內的電梯都是通過注冊用戶的面部識別開啟電梯門，房間門也是如此，房間內的各種家電和設備都是如論文所述的場景，包括了未提及的智能馬桶。點菜只需要跟語音音箱交互，隨后就會有機器人乘坐電梯上來送菜，真是科技改變生活！所以智能家居系統(tǒng)必然是未來的大勢所趨。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】