智能家居的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用分析

蘇建凱 王逸欣

(天津市機(jī)電工藝技師學(xué)院，天津 300350)

1 概述

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對生活品質(zhì)的要求也逐漸升級，家居的要求也從傳統(tǒng)的僅僅是居住場所的要求，升級到期望能達(dá)到更加智能、方便、安全的居住環(huán)境，能有更加舒適的居住環(huán)境的要求、智能家居也逐漸被人們提上生活中。智能家居技術(shù)可應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)中，對家居設(shè)備進(jìn)行控制及監(jiān)控，如對燈光進(jìn)行控制，對家居溫度、濕度進(jìn)行監(jiān)控等，智能家居系統(tǒng)包括主控設(shè)備、控制終端、各受控設(shè)備等組成[1]。智能家居系統(tǒng)可將所有的控制終端集成到一個系統(tǒng)中，采用電腦端、手機(jī)端實施對家居設(shè)備的現(xiàn)場或遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)更加便捷、靈活的管理家居設(shè)備的功能。

2 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 需求分析。從智能家居的用戶角度出發(fā)，對智能家居的需求進(jìn)行調(diào)研，從而根據(jù)調(diào)研情況，分析智能家居系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。從對用戶的需求可以看出，智能家居用戶對系統(tǒng)的需求主要有以下幾點：(1)電器設(shè)備集成控制。智能家居系統(tǒng)集成了傳統(tǒng)家居家庭設(shè)備，對所有設(shè)備進(jìn)行集中管理，可通過一套系統(tǒng)，查看單個設(shè)備的運行狀態(tài)，避免傳統(tǒng)的每個設(shè)備單獨進(jìn)行終端控制；也可實現(xiàn)設(shè)備之間的聯(lián)動處理。(2)場景化控制。智能家居設(shè)備實現(xiàn)集成和聯(lián)動控制了之后，即可根據(jù)家居用戶需求的場景，對設(shè)備進(jìn)行場景適應(yīng)化響應(yīng)控制，可根據(jù)用戶的不同需求，設(shè)計為不同的場景。

另外，智能家居系統(tǒng)除了要滿足用戶對電器設(shè)備集成控制及場景化設(shè)計和控制的功能需求外，還需滿足可靠性、可擴(kuò)展性等性能需求。

(1)可靠性。對于智能家居系統(tǒng)來說，其運行的穩(wěn)定性和可靠性對用戶來說是非常重要的，如果在運行的過程中，經(jīng)常出現(xiàn)系統(tǒng)崩潰、不穩(wěn)定、閃退等，直接會影響用戶的體驗感和滿意度，也影響產(chǎn)品的使用，因此，在系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)的過程中，要注重系統(tǒng)的可靠性社會，保證系統(tǒng)各模塊工作穩(wěn)定可靠[2]。(2)可擴(kuò)展性。目前，智能科技技術(shù)正處于技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展的階段，技術(shù)更新升級速度非常快，為方便產(chǎn)品及系統(tǒng)更新升級，跟上科技發(fā)展的步伐，則需要注重系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，在設(shè)計時，預(yù)留足夠接口，以便對其他的產(chǎn)品集成，對系統(tǒng)升級。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如圖1 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以看出，智能家居系統(tǒng)由物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、安防監(jiān)控、家庭路由器、服務(wù)器、用戶終端等部分組成，其中，各個家居硬件設(shè)備通過主控模塊進(jìn)行集成控制，其主控模塊和無線模塊通過通信協(xié)議建立連接，構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)關(guān)部分。另外，智能家居還可通過各個攝像頭集成組成安防監(jiān)控部分，對家居環(huán)境實現(xiàn)監(jiān)控[3]。家庭路由器借助移動或WIFI 網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)、安防監(jiān)控部分建立連接。將硬件設(shè)備及安防監(jiān)控數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器，服務(wù)器通過因特網(wǎng)與家庭路由器建立連接，家庭用戶終端則通過移動網(wǎng)或WIFI 與服務(wù)器建立連接。最終家庭用戶接收到系統(tǒng)的各個模塊的數(shù)據(jù)，并可對設(shè)備進(jìn)行查看和控制。

圖1 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

(1)用戶終端。智能家居系統(tǒng)用戶終端包含電腦端，手機(jī)APP端等，用戶通過用戶端控制智能家居設(shè)備運行及運行狀態(tài)改變，通過智能家居用戶終端查看和分析智能家居設(shè)備情況。實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)功能。(2)服務(wù)器。服務(wù)器作為連接用戶終端和家庭路由器的橋梁，通過因特網(wǎng)接收和存儲家庭路由器上的數(shù)據(jù)，并通過移動網(wǎng)絡(luò)或WIFI 將數(shù)據(jù)顯示在用戶終端。(3)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)直接與家居設(shè)備連接，實現(xiàn)家居設(shè)備的控制，包括近端控制和遠(yuǎn)程控制。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)節(jié)點包含檢測和控制兩個部分，檢測部分主要用于收集家居環(huán)境的信息，給用戶顯示出環(huán)境信息，保證家居環(huán)境的安全。控制包括控制設(shè)備的開關(guān)，設(shè)備的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對家居設(shè)備的控制。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)將設(shè)備及用戶端相連接。(4)安防監(jiān)控。安防監(jiān)控系統(tǒng)為用戶提供視頻、圖片等可視化的家居環(huán)境查看功能，安防監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)備是攝像頭，通過攝像頭廠商提供的協(xié)議，將攝像頭集成到安防監(jiān)控系統(tǒng)中，實現(xiàn)對攝像頭的遠(yuǎn)程控制，并保持拍攝的視頻，圖片等，供用戶查詢和查看。

智能家居系統(tǒng)是通過計算機(jī)及通信技術(shù)，將家居的各個模塊和硬件設(shè)備連接到一起，形成互聯(lián)互通集成的系統(tǒng)，并且實現(xiàn)各個模塊之間的網(wǎng)絡(luò)交互及互相關(guān)聯(lián)的功能。

3 物聯(lián)網(wǎng)智能家居關(guān)鍵技術(shù)

3.1 通信協(xié)議及流程。智能家居系統(tǒng)分為硬件交互和網(wǎng)絡(luò)交互。其中硬件交互是物聯(lián)網(wǎng)關(guān)的主控模塊與無線網(wǎng)絡(luò)模塊之間的數(shù)據(jù)交互，無線網(wǎng)絡(luò)模塊與主控板之間通過USART接口連接。網(wǎng)絡(luò)交互是指用戶終端與服務(wù)器，服務(wù)器與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)，安防監(jiān)控的無線網(wǎng)關(guān)等之間的交互，報文數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。為使智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信的兼容性良好，網(wǎng)絡(luò)交互層的報文數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)適用各個模塊之間的網(wǎng)絡(luò)通信，確保各個模塊之間網(wǎng)絡(luò)通信可以進(jìn)行交互通信，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的通信協(xié)議采用統(tǒng)一的協(xié)議，如統(tǒng)一采用JSON 格式實現(xiàn)。系統(tǒng)通信協(xié)議統(tǒng)一之后，通信流程也需進(jìn)行比較規(guī)范的設(shè)計，通信數(shù)據(jù)的傳輸數(shù)據(jù)流向上為上報數(shù)據(jù)，向下為下發(fā)數(shù)據(jù)[4]。智能家居系統(tǒng)通信流程主要分為局域網(wǎng)通信和廣域網(wǎng)通信，局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的區(qū)別就是用戶終端與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)及安防監(jiān)控的數(shù)據(jù)是否可以直接交互[5]。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)。智能家居系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)硬件包括無線網(wǎng)絡(luò)模塊，主控模塊及各個設(shè)備。其中，無線網(wǎng)絡(luò)模塊主要用于與服務(wù)器或用戶終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可采用便于集成和二次開發(fā)的高性能無線網(wǎng)絡(luò)模塊；主控模塊主要用于控制設(shè)備及與無線網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，可采用易于開發(fā)，性能高的模塊，各個節(jié)點設(shè)備模塊包括控設(shè)備的控制模塊和數(shù)據(jù)采集模塊。主控設(shè)備與各個設(shè)備的節(jié)點設(shè)備模塊之間，用導(dǎo)線直接相連，主控模塊與無線網(wǎng)絡(luò)模塊之間，通過USART接口連接。

如圖2 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖可以看出，無線模塊與主控模塊通過通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，主控模塊與各個設(shè)備的節(jié)點模塊通過導(dǎo)線連接，可對各個設(shè)備進(jìn)行控制或是數(shù)據(jù)采集。

3.3 語音識別技術(shù)。智能家居系統(tǒng)的安全認(rèn)證也是用戶比較注重的功能之一，安全認(rèn)證可通過語音識別、人臉識別、手機(jī)驗證等多種方式進(jìn)行，其中，語音識別主要用到了語音識別技術(shù)，通過運用聲學(xué)模型，語言模型，將語音信號解碼轉(zhuǎn)換成文字等。其中處理過程中，用到了多學(xué)科方法，如信號處理技術(shù)，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，統(tǒng)計建模方法，語音語言學(xué)知識，還用到了語音語言數(shù)據(jù)庫等。

3.4 推送技術(shù)。信息推送技術(shù)是針對對信息需求的用戶，提供定期推送消息的服務(wù)，通過一定的信息推送技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議，借助信息技術(shù)，定期推送信息，避免用戶信息過載。

用戶終端初始化SDK 后，通過個推SDK 登錄，個推服務(wù)器常主動推送消息給用戶接收者，用戶可提供對消息的接收需求，服務(wù)器根據(jù)用戶的需求進(jìn)行消息的推送，極大的提高消息推送的分布率。

4 物聯(lián)網(wǎng)智能家居應(yīng)用

4.1 應(yīng)用功能。物聯(lián)網(wǎng)智能家居應(yīng)用功能主要有用戶終端登錄驗證，對設(shè)備的管理及控制，對安防監(jiān)控部分的查看及控制，對家居環(huán)境情景模式的設(shè)定，系統(tǒng)管理等。物聯(lián)網(wǎng)智能家居應(yīng)用功能圖如圖3 所示。

從圖3 智能家居應(yīng)用功能圖中可以看出，智能家居應(yīng)用主要的各個功能模塊還包含許多功能子模塊，如登錄驗證包括賬號密碼驗證、語音識別、指紋識別、人臉識別等；設(shè)備管理包含設(shè)備控制、設(shè)備添加、設(shè)備移除、設(shè)備檢測，安防監(jiān)控包括對監(jiān)督的調(diào)節(jié)、保存、設(shè)置等，情景模式包含回家、離家、起床、自定義等，系統(tǒng)管理包含消息推送、軟件升級、系統(tǒng)設(shè)置等，其中功能模塊還可在后期軟件升級過程中，進(jìn)行增加新的功能。

4.2 應(yīng)用優(yōu)點。智能家居的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，給人們的家居生活帶來了一定的影響，為人民的生活提供了更高的家居生活品質(zhì)及環(huán)境。

(1)家用電器設(shè)備管理及控制更加方便。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)智能家居技術(shù)，將所有的家用電器設(shè)備集成到系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一管理及控制，避免了傳統(tǒng)的每個設(shè)備各有控制器，容易搞混及弄丟，導(dǎo)致設(shè)備無法發(fā)揮作用的尷尬現(xiàn)象，在對設(shè)備的使用和管理上，更加方便。(2)家居環(huán)境更加人性化。應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)智能家居，可根據(jù)用戶所需的環(huán)境設(shè)置情景模式，給用戶帶來更加良好的家居環(huán)境體驗及舒適感，可營造更加溫馨，舒適的家居環(huán)境，可根據(jù)用戶的不同需求，設(shè)計為不同的場景，使得家居環(huán)境更加人性化。(3)家居環(huán)境更加安全。物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)可通過安防監(jiān)控系統(tǒng)，為用戶實時監(jiān)控家里情況，免去用戶對家里不放心又無法查看家里情況的尷尬，如將孩子一個人留在家中，則可通過安防監(jiān)控系統(tǒng)實時查看孩子的情況。

另外，實現(xiàn)設(shè)備之間的聯(lián)動響應(yīng)，比如溫度之間可通過系統(tǒng)進(jìn)行一定的參數(shù)或關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)，一旦某個設(shè)備預(yù)警，則與其有關(guān)聯(lián)的設(shè)備，隨即可聯(lián)動做出響應(yīng)，如溫度升高，則可調(diào)節(jié)濕度設(shè)備，加大濕度以避免家居環(huán)境干燥，帶來火災(zāi)隱患等，讓家居環(huán)境更加安全。