基于智能家居功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

佘盛波 王振滔 樓浩棟 鄭溫昊 王雨澤 索文騰

摘要：近年來，以高科技和信息技術(shù)為基礎(chǔ)的建筑智能化已經(jīng)深入到越來越多的住宅小區(qū)，建筑智能化將進(jìn)一步走進(jìn)到每一個(gè)普通家庭。以家庭智能化方式實(shí)現(xiàn)的多元信息處理以及由此帶來的安全、舒適、方便、節(jié)能的生活方式，將是信息時(shí)代中人們對住宅的全新追求。本文主要根據(jù)智能家居的應(yīng)用功能出發(fā)，根據(jù)功能進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)和研究。

關(guān)鍵字：智能家居，智能控制，智能建筑;

1.智能家居系統(tǒng)功能劃分

智能家居系統(tǒng)是一個(gè)比較龐大的項(xiàng)目，專業(yè)性較強(qiáng)，下面的功能板塊主要是：智能燈光控制，智能背景音樂，家庭影院系統(tǒng)，智能澆灌系統(tǒng)，其他控制模塊等。

家用電器作為現(xiàn)有家庭必須品，行業(yè)市場規(guī)模巨大隨著居民消費(fèi)升級(jí)，高端化家用電器的占比逐漸提高，消費(fèi)者也傾向于追求多樣化，節(jié)能化，智能化的家用電器。智能控制器是各類家用電器的核心部件之一，大部分特定的程式功能均由其控制和實(shí)現(xiàn)，家用電器智能化水平的不斷提高，給智能控制器行業(yè)帶來了新的機(jī)遇。智能家居中央控制器的研發(fā)生產(chǎn)是符合國家在住宅科技方面的發(fā)展要求，有利于實(shí)現(xiàn)良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

（1）智能燈光控制：可以用手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)遙控等多種智能控制方式實(shí)現(xiàn)對全宅燈光的開關(guān)、調(diào)光等燈光場景效果的控制。

（2）智能電器控制：采用弱電控制強(qiáng)電方式，可以用遙控、定時(shí)等控制方式實(shí)現(xiàn)對多種電器的控制。比如智能溫控，無論人在哪里，都可以遠(yuǎn)程控制家里的空調(diào)、地暖、新風(fēng)等系統(tǒng)，為用戶提供一個(gè)恒溫舒適的室內(nèi)環(huán)境。

（3）安防監(jiān)控系統(tǒng)：實(shí)行安全防范系統(tǒng)自動(dòng)化監(jiān)控管理，住宅若發(fā)生火災(zāi)、有害氣體泄露、偷盜等事故，安防監(jiān)控系統(tǒng)能實(shí)行自動(dòng)報(bào)警。用戶不在家時(shí)，還能通過電腦、手機(jī)等實(shí)時(shí)查看監(jiān)控錄像，并進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

（4）智能背景音樂：在家庭任何一處位置，都可以將MP3、FM、DVD、電腦等多種音源進(jìn)行系統(tǒng)組合，讓每個(gè)房間都能聽到美妙的背景音樂，起到美化空間的裝飾作用。

（5）智能視頻共享：將數(shù)字電視機(jī)頂盒、DVD、錄像機(jī)、衛(wèi)星接收機(jī)等視頻設(shè)備集中安裝在隱蔽的地方，系統(tǒng)可以做到讓客廳、餐廳、臥室等多個(gè)房間的電視機(jī)共享家庭影音庫，并能通過遙控器選擇自己喜歡的音源進(jìn)行觀看。

（6）家庭影院系統(tǒng)：是在家庭環(huán)境中搭建一個(gè)接近影院效果的系統(tǒng)，讓用戶在家即能欣賞影院效果級(jí)別的電影、聆聽專業(yè)級(jí)別音響帶來的音樂享受。

（7）智能澆灌系統(tǒng)：可以設(shè)定好每隔N天定時(shí)自動(dòng)澆灌，太忙沒有時(shí)間照顧花園時(shí)可以在電腦上查看家里狀況，按下自動(dòng)澆灌按鈕，便能夠按照設(shè)定模式為整個(gè)花園澆灌。

（8）系統(tǒng)整合控制：本著有效提高產(chǎn)品的實(shí)用率、盡量減少成本讓功能最大化的目的，實(shí)現(xiàn)讓用戶僅需要在系統(tǒng)整合智能家居產(chǎn)品里，就可以做到燈光控制、電器控制、安防報(bào)警、背景音樂、視頻共享以及弱電信息等功能。

2.智能家居控制模塊功能設(shè)計(jì)

完整的智能家居系統(tǒng)包括5個(gè)部分：主控模塊、電器控制子系統(tǒng)、照明控制子系統(tǒng)、安全控制子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)控制子系統(tǒng)，5個(gè)部分功能上各司其職，邏輯上構(gòu)成一個(gè)完整的控制實(shí)體。整個(gè)系統(tǒng)為人們提供智能、舒適、安全的家庭環(huán)境，同時(shí)提供遠(yuǎn)程信息監(jiān)控能力。

（1）主控模塊是智能家居的大腦，子系統(tǒng)是智能家居的四肢。主控模塊，負(fù)責(zé)子系統(tǒng)的信息集中、存儲(chǔ)、分析和決策。嵌入式芯片發(fā)展使主控模塊越來越精巧，功能日益豐富。

（2）電器控制子系統(tǒng)，負(fù)責(zé)監(jiān)控電器的運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行主控模塊的控制指令。網(wǎng)絡(luò)家電的發(fā)展掃清了不同家電的識(shí)別和互連的障礙，也簡化了電器控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。照明控制子系統(tǒng)，又名情景控制，核心是對光影和色彩的智能控制。該子系統(tǒng)控制燈光在角度、明暗、顏色等方面的組合以滿足不同的情景需求。該子系統(tǒng)也滿足時(shí)間控制概念，具有機(jī)械動(dòng)作傳感器、人體移動(dòng)傳感器和照度傳感器等。

（3）安全控制子系統(tǒng)，針對引起安全問題的諸多因素，起到防范和報(bào)警的作用，煙霧傳感器、溫度傳感器、一氧化碳傳感器負(fù)責(zé)環(huán)境安全控制;可視對講系統(tǒng)預(yù)防陌生人的干擾;門磁傳感器和窗磁傳感器起到防盜作用。遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)子系統(tǒng)，滿足家庭網(wǎng)絡(luò)和公共網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)網(wǎng)控制功能。孤立的家庭網(wǎng)絡(luò)使智能家居大打折扣，而和GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet互聯(lián)，又使智能家居別樣精彩。

（4）主控模塊的功能和硬件設(shè)計(jì)

主控模塊要完成以下工作：和子系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)、GPRS通信功能、以太網(wǎng)通信功能、顯示功能、監(jiān)控軟件等。其中GPRS通信和以太網(wǎng)通信邏輯上屬于網(wǎng)絡(luò)控制子系統(tǒng)，這兩種功能是在主控模塊上實(shí)現(xiàn)的，一方面提高了集成度和穩(wěn)定性;另一方面充分利用了主控模塊在硬件和軟件上的資源。

（5）主控模塊和子系統(tǒng)的CAN總線通信

主控模塊的處理能力有限，多個(gè)子系統(tǒng)和主控模塊由現(xiàn)場總線組網(wǎng)構(gòu)成一個(gè)分布式控制系統(tǒng)。各個(gè)子系統(tǒng)在主控模塊的控制下協(xié)同工作。主控模塊和子系統(tǒng)之間主要傳輸信息流和控制流。主控模塊到子系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕强刂屏?，這些控制流完成子系統(tǒng)的配置或者命令子系統(tǒng)完成特定的任務(wù)。子系統(tǒng)到主機(jī)傳輸?shù)闹饕菙?shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流主要包含子系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)或傳感器數(shù)據(jù)等。主控模塊和子系統(tǒng)的通信可以采用有線方式或無線方式。

3.主控模塊的軟件設(shè)計(jì)

（1）主控模塊的軟件架構(gòu)

智能家居主控模塊要完成4個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)同工作，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，需要4個(gè)軟件模塊分別處理4個(gè)子任務(wù)，主任務(wù)協(xié)調(diào)4個(gè)子任務(wù)正常工作。每個(gè)子系統(tǒng)又可以劃分成很多更細(xì)的任務(wù)。如果采用結(jié)構(gòu)化的程序方法，程序設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，系統(tǒng)會(huì)存在很多潛在問題。嵌入式硬件資源日益豐富，成本也較低廉，資源的增強(qiáng)使軟件有更多的資源可以利用。主控模塊的硬件資源非常豐富，軟件系統(tǒng)也非常龐大，軟件系統(tǒng)無法避免在訪問資源時(shí)遇到?jīng)_突、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)交換的問題，所以需要一個(gè)嵌入式操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理硬件資源，并對軟件開發(fā)提供良好的基礎(chǔ)環(huán)境，比如：內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、存儲(chǔ)管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理、消息機(jī)制、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)交換、多線程、套接字等。操作系統(tǒng)雖然占據(jù)一定的存儲(chǔ)空間，但是給軟件開發(fā)帶來的便利更加可觀。

（2）主控模塊的主程序

智能控制主控模塊硬件上資源豐富，軟件上有Linux操作系統(tǒng)的支持，主控模塊的軟件開發(fā)運(yùn)用了模塊化思想，模塊的劃分依據(jù)是高內(nèi)聚低耦合，將邏輯上緊密耦合的一組功能劃分為一個(gè)模塊。模塊劃分結(jié)果以數(shù)據(jù)流圖呈現(xiàn)出來。安全控制子系統(tǒng)、電器控制子系統(tǒng)和照明控制子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流和控制流，通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街骺啬K，主控模塊的CAN通信監(jiān)控子線程解析CAN網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。主控模塊的數(shù)據(jù)分發(fā)處理器子線程根據(jù)數(shù)據(jù)的類型將數(shù)據(jù)分發(fā)到相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序。處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，并在界面直觀顯示分析后的信息。

（3）網(wǎng)絡(luò)模塊在邏輯上是一個(gè)獨(dú)立的模塊，在實(shí)現(xiàn)上由于其特殊性是在主控模塊實(shí)現(xiàn)的。遠(yuǎn)程PC通過Internet方式，手機(jī)通過GPRS方式將網(wǎng)絡(luò)流發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)模塊，網(wǎng)絡(luò)模塊會(huì)調(diào)用網(wǎng)絡(luò)信息處理模塊處理網(wǎng)絡(luò)流，數(shù)據(jù)處理后或存儲(chǔ)或通過CAN總線轉(zhuǎn)發(fā)到其它控制子系統(tǒng)。

4.主控模塊的性能測試設(shè)計(jì)

主控模塊的性能主要體現(xiàn)在通信速度和通信質(zhì)量。為了獲得這些參數(shù)，需要測試主控模塊和子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸能力。測試方式是：無競爭點(diǎn)對點(diǎn)雙向數(shù)據(jù)傳輸測試;有競爭點(diǎn)對點(diǎn)雙向數(shù)據(jù)傳輸測試。測試指標(biāo)是：傳輸時(shí)間和誤碼率。測試結(jié)果表明主控模塊和子系統(tǒng)之間的通信比較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸速率較高，可以滿足實(shí)時(shí)性要求。測試中誤碼率很低，一方面說明CAN協(xié)議的穩(wěn)定性;另一方面由于在數(shù)據(jù)測試中的數(shù)據(jù)量較小，從而出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率就小。

5.結(jié)論

智能家居系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，由于控制對象過多，單個(gè)智能控制系統(tǒng)無法完成控制任務(wù)，需要構(gòu)成一個(gè)家庭控制網(wǎng)絡(luò)。智能控制系統(tǒng)主控模塊在網(wǎng)絡(luò)中起到調(diào)度和協(xié)調(diào)的作用。本文分析了家庭控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，提出了主控模塊的軟硬件模型和設(shè)計(jì)方案，提出了主控模塊和其他功能子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的一種實(shí)用通信方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙躍鵬 等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居椅控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).自動(dòng)化儀表[J].2021，42（1）

[2]周利黔 等.新型中央空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).自動(dòng)化儀表[J].2020，41（1）

[3]劉遠(yuǎn)聰 等.基于物聯(lián)網(wǎng)智能家居網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].移動(dòng)通信，2016，（22）.

佘盛波：衢州學(xué)院2019級(jí)物聯(lián)網(wǎng)工程技術(shù)業(yè)本科學(xué)生。資助項(xiàng)目：衢州學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：Q20X042）