基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的當(dāng)代智能家居控制系統(tǒng)

羅金海

物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)在運(yùn)用過程中，主要是以住宅為主體，綜合利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)，使家居設(shè)備具有集中管理、遠(yuǎn)程控制、互聯(lián)互通等功能。 利用信息傳感設(shè)備，對(duì)信息進(jìn)行識(shí)別、傳遞、判斷、接收以及控制等。通過這一系統(tǒng)，能將家中安全設(shè)備、電器等連接在一起，形成安全防護(hù)、家庭通訊以及設(shè)備控制為一體的系統(tǒng)。 系統(tǒng)不僅體現(xiàn)了實(shí)時(shí)性，能夠?qū)抑性O(shè)備運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)控制；而且體現(xiàn)了及時(shí)性，在出現(xiàn)事故的情況下，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并運(yùn)用有效方式將其解決；同時(shí)，不存在地域性的限制， 在具備管理權(quán)限的情況下，可以不受時(shí)空限制，隨時(shí)隨地利用系統(tǒng)展開管理[1]。

智能家居控制系統(tǒng)概述

智能家居控制系統(tǒng)于20 世紀(jì)80 年代產(chǎn)生，最開始在美國出現(xiàn)，然后加拿大、東南亞、歐洲等經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)先后提出各種智能家居方案。這一系統(tǒng)主要是運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)通信、互聯(lián)網(wǎng)、智慧云端，根據(jù)人體工程原理將個(gè)性需求融入其中，使和居家生活相關(guān)的系統(tǒng)，如燈光控制、安防、煤氣閥控制、窗簾控制、信息家電、健康保健及場景聯(lián)動(dòng)等有效結(jié)合在一起，通過網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)綜合性智能管理與智能控制，充分將以人為本的家居設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)了出來[2]。 智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的在于使家庭更加安全、舒適，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的過程中，人們對(duì)于家居智能化的需求也在不斷升級(jí)，希望擁有更加便捷和多元化的智能家居。

智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1. 總體功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無線智能家居控制系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)形式上的家居燈光以及電器控制方式，運(yùn)用新型無線智能控制，通過手機(jī)或平板電腦等智能設(shè)備，可以對(duì)家居電器進(jìn)行集中控制，還可以設(shè)置不同的場景模式來完成一鍵場景切換和控制。 除此之外，系統(tǒng)的邏輯控制功能能夠讓用戶設(shè)置各種不同的邏輯來完成指定時(shí)間及指定條件下的邏輯控制。 外出時(shí)，用戶依然可以利用手機(jī)或平板電腦隨時(shí)隨地查看和控制家中的燈光、窗簾、空調(diào)等家用電器，讓人輕松享受“家，時(shí)刻都在身邊”的感覺，暢享由智能家居系統(tǒng)帶來的舒適、方便以及樂趣。 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。

智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

智能家居控制系統(tǒng)包括控制室內(nèi)燈光、 機(jī)電設(shè)備、家電、窗簾，以及安防防盜和可視對(duì)講系統(tǒng)等，針對(duì)室內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測進(jìn)行了系統(tǒng)集成。機(jī)電設(shè)備、燈光、窗簾及家電等設(shè)備通過專門設(shè)置的控制器，結(jié)合區(qū)域場景設(shè)置采取相應(yīng)的動(dòng)作，以達(dá)到滿足需求的控制。安防防盜系統(tǒng)、可視對(duì)講系統(tǒng)等通過智能家居控制系統(tǒng)在不同區(qū)域設(shè)置的控制終端對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，大大方便了用戶的操作。室內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)通過傳感器進(jìn)行監(jiān)測， 當(dāng)達(dá)到環(huán)境指數(shù)閾值則觸發(fā)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行動(dòng)作， 實(shí)現(xiàn)房屋自主管理。

2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)組成

本智能家居控制系統(tǒng)基于IEEE802.15.4 基礎(chǔ)協(xié)議， 是IEEE 無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（Personal Area Network，PAN） 工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)， 被稱作IEEE802.15.4 ZigBee 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)， 主要適用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，支持地理定位功能。 同時(shí)，采用Zigbee 射頻通信技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，Zigbee技術(shù)是一種新興的、短距離、低功耗、低成本、自組網(wǎng)、低復(fù)雜度、安全可靠、高擴(kuò)展性的雙向無線通信技術(shù)。

智能網(wǎng)關(guān)是智能家居控制系統(tǒng)的核心， 是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中樞，綜合運(yùn)用了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、Zigbee 雙向射頻通信技術(shù)和RS485 總線通信技術(shù)，提供包含安防、居家電器綜合控制的解決方案。通過RJ45 接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)的連接，借助互聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的云端遠(yuǎn)程控制；通過Zigbee雙向射頻通信技術(shù)，可靈活組網(wǎng)，構(gòu)建家庭內(nèi)部電器設(shè)備互連網(wǎng)絡(luò)， 實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部電器設(shè)備有效控制及狀態(tài)反饋；通過RS485 總線通信技術(shù)，與電器設(shè)備進(jìn)行對(duì)接，實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)，實(shí)時(shí)檢測設(shè)備狀態(tài)，進(jìn)行有效控制等。

物聯(lián)網(wǎng)鎖采用低功耗電池供電，實(shí)現(xiàn)指紋、密碼開鎖、刷卡開鎖和機(jī)械鑰匙備用開鎖。不僅支持本地管理，并且利用互聯(lián)網(wǎng)和Zigbee 技術(shù)，結(jié)合云服務(wù)器、家庭智能網(wǎng)關(guān)和Zigbee 終端，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程授權(quán)管理， 還可以實(shí)現(xiàn)開鎖權(quán)限管理和防盜報(bào)警功能， 從而大大提高智能門鎖的可控性和安全性。

本系統(tǒng)根據(jù)家居生活所需， 設(shè)計(jì)了多種不同功能面板，包括燈光控制面板、窗簾控制面板、場景控制面板、聯(lián)動(dòng)控制面板及調(diào)光控制面板等。這些面板均采用零火線方式供電，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，通過Zigbee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可靈活組網(wǎng)。 其中，燈光控制面板連接電燈，以實(shí)現(xiàn)家居燈光控制；窗簾面板連接窗簾電機(jī)，匹配窗簾導(dǎo)軌，即可實(shí)現(xiàn)窗簾的開關(guān)控制。 場景控制面板實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)設(shè)備的集中控制，也可對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制，具有場景狀態(tài)指示同步功能，采用靈活的場景配置方式，用戶可以根據(jù)生活習(xí)慣設(shè)置所需要的場景模式， 場景設(shè)置可以通過軟件配置或脫機(jī)配置。 聯(lián)動(dòng)控制面板通過與燈光/窗簾控制面板等互聯(lián)，一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)燈光、窗簾電機(jī)等用電設(shè)備的雙向控制。調(diào)光控制面板連接可調(diào)光燈具， 用戶可以根據(jù)喜好調(diào)節(jié)燈光亮暗，以滿足各種生活所需。上述這些面板都可以通過智能網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)本地實(shí)時(shí)控制、本地跨區(qū)控制本地預(yù)置邏輯控制、本地移動(dòng)控制，在外網(wǎng)（系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)連接）條件具備的情況下，還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

除上述系統(tǒng)設(shè)備之外， 智能家居控制系統(tǒng)還包括其它許多系統(tǒng)設(shè)備。如燃?xì)馓綔y器，可用于探測家中燃?xì)庑孤┣闆r，同時(shí)可以聯(lián)動(dòng)場景，關(guān)閉燃?xì)忾y，并將信息發(fā)送至手機(jī)APP。

智能家居控制系統(tǒng)的運(yùn)行

1. 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)分層控制

環(huán)形網(wǎng)絡(luò)分為7 層，即應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，但是比較常見的為5 層，即應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，雖然某些層進(jìn)行了合并，但是本質(zhì)上一致。在運(yùn)用環(huán)形網(wǎng)狀展開分層控制設(shè)計(jì)時(shí)需將網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)，建成之后能夠多點(diǎn)接入也能以自行方式實(shí)現(xiàn)無線通信功能。 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w特點(diǎn)， 設(shè)計(jì)時(shí)需將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為中心，針對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)分層進(jìn)行規(guī)范，并確定分層具體深度， 運(yùn)用數(shù)據(jù)路由將傳輸時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)具體層次詳細(xì)記錄下來，進(jìn)而減少資源浪費(fèi)，也能避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)爆炸問題。 分層控制系統(tǒng)能夠運(yùn)用數(shù)據(jù)匯聚協(xié)調(diào)形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，同時(shí)將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)視為中心， 以環(huán)形分層形式構(gòu)成控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)當(dāng)中一環(huán)為一層，每層之間的間隔會(huì)逐層增加，對(duì)于協(xié)調(diào)器來講，層次數(shù)量為零。

分層詳細(xì)情況如下：首先，建立網(wǎng)絡(luò)以后，協(xié)調(diào)器以及別的節(jié)點(diǎn)具體層數(shù)都為零[3]。 其次，系統(tǒng)會(huì)由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)運(yùn)用分層確定幀的發(fā)送方式與網(wǎng)絡(luò)接入，通過這種方式，能夠使協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和連接系統(tǒng)中的其他節(jié)點(diǎn)信息保證聯(lián)通。 再次，分層確定幀在送至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的情況下，如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)層次為零，系統(tǒng)會(huì)直接更新成確定幀的實(shí)際轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，如果層數(shù)不為零，本身層數(shù)和分層確定幀的實(shí)際轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)將會(huì)由系統(tǒng)對(duì)比，然后取兩者之間的最小值。 最后，在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)層數(shù)更新情況下，則需轉(zhuǎn)發(fā)分層確定幀，若不更新，則不需對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。 分層確定幀在到達(dá)控制系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)可能會(huì)存在多次對(duì)分層確定幀進(jìn)行接收的情況。為了防止系統(tǒng)產(chǎn)生過多資源消耗，需將分層確定幀的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)控制好，運(yùn)用已更新目標(biāo)階段層數(shù)對(duì)分層確定幀進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理，進(jìn)而使系統(tǒng)在工作時(shí)能夠處于最佳狀態(tài)。

本智能家居控制系統(tǒng)設(shè)備端子系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)基于Zigbee 的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、數(shù)據(jù)傳輸可靠，并且擁有簡單且靈活的通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)支持星狀、 樹狀和網(wǎng)狀3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中存在3 種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器、多個(gè)路由器和多個(gè)終端設(shè)備組成，系統(tǒng)中智能網(wǎng)關(guān)充當(dāng)著協(xié)調(diào)器的角色，其他設(shè)備則為路由器或終端設(shè)備。 協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)， 同時(shí)也是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備，協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID，隨后啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器的層次深度為0，其子設(shè)備的深度為1，子設(shè)備的子設(shè)備的深度為2，以此類推。路由器的主要功能是允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)、多跳路由和終端設(shè)備的通信。 終端設(shè)備沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，主要實(shí)現(xiàn)終端控制功能。

2. 系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制

在物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)， 設(shè)備端子系統(tǒng)在采集設(shè)備當(dāng)中的數(shù)據(jù)時(shí)，需運(yùn)用高速傳輸形式與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，只有在此情況下，才能使系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)得到保證。 就子系統(tǒng)來講，由于多數(shù)情況下傳輸數(shù)據(jù)較大，因此特殊設(shè)備中獲得的數(shù)據(jù)需運(yùn)用高速運(yùn)算方式處理，進(jìn)而使數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)的及時(shí)性以及準(zhǔn)確性得到充分保證，也能確保數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)的量。 對(duì)于系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)體系來講， 由于傳輸效率比較高，并且體系結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)抗干擾能力，輸送過程中能夠使大量數(shù)據(jù)以較快速度進(jìn)行傳輸，保證傳輸時(shí)的實(shí)時(shí)性，因此，可以將其運(yùn)用在數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)葓鼍爸小?/p>

本智能家居控制系統(tǒng)設(shè)備端子系統(tǒng)通過智能網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)相連，系統(tǒng)中所有的設(shè)備信息都可以通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸、 保存到特定的服務(wù)器，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸能力保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。 用戶不僅可以根據(jù)個(gè)人的喜好通過手機(jī)APP 進(jìn)行系統(tǒng)的各種場景設(shè)置，同時(shí)還可以通過APP 對(duì)系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 系統(tǒng)中的任何狀態(tài)變化都能迅速被獲取并及時(shí)被處理，最終得到有效控制，為用戶提供更加舒適、便捷的居家體驗(yàn)。

結(jié)語

總之，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)的智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，能夠突破時(shí)空限制，對(duì)家居信息展開實(shí)時(shí)監(jiān)控。 通過無線網(wǎng)絡(luò)，將控制終端和用戶移動(dòng)設(shè)備連接在一起，使用戶隨時(shí)隨地了解家中信息，并通過控制系統(tǒng)對(duì)家中設(shè)備進(jìn)行操控，從而為用戶構(gòu)建更加安全、智能、高效的生活環(huán)境。