物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的智能家居設(shè)計(jì)

摘要：為了提高智能家居的智能水平，文章提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居設(shè)計(jì)方案，并以智能家居椅設(shè)計(jì)為例，驗(yàn)證該方案的可行性。該研究對(duì)所提智能家居椅進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果顯示，該智能家居椅的機(jī)械輔助試驗(yàn)成功率為91.58%，優(yōu)于對(duì)比的其他智能家居椅，且達(dá)到較高的設(shè)計(jì)水準(zhǔn)。該智能家居設(shè)計(jì)方案實(shí)用性強(qiáng)，能夠?yàn)橹悄芗揖拥脑O(shè)計(jì)和優(yōu)化提供重要參考，推動(dòng)了家居智能化的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；智能家居；設(shè)計(jì)；智能家居椅

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5；TP391.44；TU855文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

隨著信息化時(shí)代的蓬勃發(fā)展，智能家居作為現(xiàn)代生活的新趨勢(shì)，正逐漸改變?nèi)藗兊纳罘绞剑?］。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的革新使得家居智能化成為可能，其通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接家居設(shè)備，為用戶提供了前所未有的舒適體驗(yàn)［2］。當(dāng)前，由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，智能家居已從有線連接邁向無(wú)線互聯(lián)的新階段。眾多學(xué)者已在智能家居領(lǐng)域取得了顯著研究成果，例如：劉丹丹等［3］為了更好地提高智能家居的識(shí)別效果，提出了基于WiFi數(shù)據(jù)幀特征的識(shí)別方法，結(jié)果顯示，該方法對(duì)智能家居的識(shí)別效果較好，實(shí)用性較強(qiáng)；曾昭優(yōu)等［4］為了提高家居管理的智能化水平，提出了基于Arduino的智能家居管理系統(tǒng)，能夠有效提升智能家居的管理水平；崔曉龍等［5］為了提高智能家居的應(yīng)用水平，提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的實(shí)用效果。

然而，現(xiàn)有研究仍存在一定的不足，如系統(tǒng)穩(wěn)定性、設(shè)備兼容性以及用戶體驗(yàn)優(yōu)化等方面仍需進(jìn)一步提升。故此次研究創(chuàng)新性地提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居設(shè)計(jì)方案，以智能家居椅設(shè)計(jì)為例，旨在解決上述問(wèn)題并推動(dòng)智能家居的持續(xù)發(fā)展。該研究的創(chuàng)新性在于強(qiáng)化了智能家居系統(tǒng)的穩(wěn)定性和兼容性，同時(shí)通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更加智能化、個(gè)性化的家居管理。此次研究不僅提升了生活的便利性，還為智慧社區(qū)、智慧城市的建設(shè)作出了積極貢獻(xiàn)，推動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用。

1基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

1.1物聯(lián)網(wǎng)智能家居的技術(shù)支持

射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)是一種以無(wú)接觸IC為基礎(chǔ)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)利用無(wú)線射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體的自動(dòng)辨識(shí)和相應(yīng)的信息采集［6］。智能家居通常采用以MCU為核心的主控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)對(duì)收到的指令進(jìn)行處理。此外，智能家居控制系統(tǒng)還擁有ZigBee組件。該組件主要用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確定設(shè)備是否符合預(yù)定的報(bào)警數(shù)值。當(dāng)報(bào)警信號(hào)達(dá)到預(yù)定的報(bào)警數(shù)值時(shí)，該組件向主機(jī)發(fā)出報(bào)警，然后由主機(jī)進(jìn)行分析，確定報(bào)警信號(hào)的來(lái)源，最后由GPRS模塊傳輸至用戶的移動(dòng)電話，以達(dá)到預(yù)警效果。用戶在收到報(bào)警信號(hào)后，通過(guò)發(fā)送短信的方式進(jìn)行控制。在用戶發(fā)送短信后，GPRS模塊接收并分析用戶短信，然后將短信傳輸至總控制器，并進(jìn)行分析響應(yīng)。此次研究使用的智能家居控制系統(tǒng)采用AT89S52作為主控制器。AT89S52是一種低功耗高性能COMS 8 Bit單片機(jī)，采用8 kB的可編程Flash內(nèi)存。該單片機(jī)采用Atmel公司的高密度非揮發(fā)內(nèi)存技術(shù)生產(chǎn)，與80C51的產(chǎn)品指令和插針完全兼容。智能家居是在物聯(lián)網(wǎng)的影響之下的物聯(lián)化體現(xiàn)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家中的各種設(shè)備連接到一起，提供家電控制、照明控制、窗簾控制、電話遠(yuǎn)程控制等多種功能，極大地提升了家居生活的便捷性和舒適性［7］。智能家居主要包括如圖1所示的4個(gè)核心部分。

由圖1可得，智能家居主要分為智能照明系統(tǒng)、家庭環(huán)境調(diào)控、家庭娛樂(lè)、智能安全4個(gè)核心部分。其中，智能照明系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，還可以達(dá)到節(jié)能的目的，從而有效防止住宅高能耗的產(chǎn)生。而家庭環(huán)境調(diào)控是指智能化住宅的設(shè)計(jì)能夠使室內(nèi)溫度、濕度和空氣隨時(shí)處于安全、舒適的環(huán)境中。隨著人們對(duì)家庭娛樂(lè)需求的不斷提高，人們對(duì)各種娛樂(lè)產(chǎn)品和器材的需求也在不斷增長(zhǎng)，其中娛樂(lè)類(lèi)電子產(chǎn)品已經(jīng)成為智能家居的主要組成部分。智能安全是人們?nèi)粘Ｉ钪凶钪匾陌踩胧?，能夠在緊急情況下以最短的時(shí)間內(nèi)向用戶發(fā)出警報(bào)，從而保證使用者的人身和財(cái)產(chǎn)安全。

1.2物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的智能家居整體設(shè)計(jì)分析

運(yùn)用智能家居的根本目的是讓居住環(huán)境變得更加舒適、安全。只有設(shè)計(jì)先進(jìn)的智能家居軟硬件，才能防止因技術(shù)落后而產(chǎn)生的智能家居整體效能低下、提前報(bào)廢等問(wèn)題［8］。同時(shí)，在滿足客戶對(duì)整體系統(tǒng)要求的前提下，設(shè)計(jì)方案還要做到切合實(shí)際。在智能家居整體設(shè)計(jì)中，網(wǎng)絡(luò)化的目的是使設(shè)備和信息資源能夠相互分享，本文研究設(shè)計(jì)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的標(biāo)準(zhǔn)界面。該界面的使用者可以按自身的需求進(jìn)行系統(tǒng)的更新與升級(jí)。GPRS的優(yōu)勢(shì)在于可以解決一些因特網(wǎng)使用量偏低的問(wèn)題，故網(wǎng)絡(luò)化方案利用GPRS技術(shù)來(lái)完成短信的無(wú)線發(fā)送，同時(shí)還能將短信解析并轉(zhuǎn)換成指令代碼，從而實(shí)現(xiàn)利用短信控制家電設(shè)施。此外，研究還能利用移動(dòng)電話實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，解決了傳統(tǒng)家用控制器操作距離短、地域限制等問(wèn)題。研究提出的智能家居控制系統(tǒng)采用短信進(jìn)行管理，既能有效減少成本，又能廣泛用于各種無(wú)人值守區(qū)域。其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知，該系統(tǒng)主要包括傳感器、熱水器開(kāi)關(guān)、燈光開(kāi)關(guān)、信號(hào)接收器以及用戶手機(jī)等模塊。該智能家居控制系統(tǒng)的主要功能為防盜警報(bào)、家電遠(yuǎn)程控制、火災(zāi)監(jiān)控。其中，防盜警報(bào)功能是指當(dāng)有人闖入家中打破玻璃或撬開(kāi)門(mén)窗時(shí)，相關(guān)的感應(yīng)器就會(huì)發(fā)現(xiàn)異常，將這些數(shù)據(jù)通過(guò)家中的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給家中的控制器。再由家中的控制器進(jìn)行分析，最終由GPRS模塊將報(bào)警信息以短信形式傳送給業(yè)主，達(dá)到防盜報(bào)警的目的。而家電遠(yuǎn)程控制功能是指在使用遙控設(shè)備時(shí)，用戶可以使用移動(dòng)電話向家電發(fā)出指令，GPRS模塊接收并把短信轉(zhuǎn)換成能夠被用戶辨認(rèn)的指令傳送到家用控制器中，由控制器進(jìn)行處理，將指令通過(guò)ZigBee的無(wú)線傳輸方式傳送至與家用電器相連的MCU，從而完成對(duì)家用設(shè)備的控制?；馂?zāi)監(jiān)控功能是指在室內(nèi)裝配感應(yīng)式溫度檢測(cè)器和感應(yīng)式檢測(cè)器，可對(duì)每個(gè)房間的防火情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。一旦發(fā)現(xiàn)火情，系統(tǒng)就會(huì)通過(guò)無(wú)線ZigBee模塊向家中的控制器傳輸數(shù)據(jù)，再由GPRS模塊向用戶的移動(dòng)電話進(jìn)行短信傳輸，從而達(dá)到監(jiān)控火災(zāi)的目的。

2基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居椅系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐下，智能家居椅系統(tǒng)在輸入和輸出界面上有很大的進(jìn)展，構(gòu)成一個(gè)良好的座椅組合結(jié)構(gòu)，其中包含敲擊和智能輔助閱讀結(jié)構(gòu)。此外，通過(guò)智能控制與輔助閱讀結(jié)構(gòu)的智能控制，系統(tǒng)確保了STM32智能家居椅的結(jié)構(gòu)完善化。本文提出的智能家居椅系統(tǒng)主要包含測(cè)力傳感模塊、稱(chēng)重傳感模塊、光電傳感模塊、WiFi模塊以及遠(yuǎn)程操控模塊。為了實(shí)現(xiàn)捶背的動(dòng)作，并根據(jù)捶背的力量進(jìn)行有針對(duì)性的測(cè)量，測(cè)力傳感器模塊研究選擇STM32模塊進(jìn)行控制，并增加客戶端的App反饋功能。在測(cè)力傳感器模塊中，系統(tǒng)主要是將模擬信號(hào)和A/D變換相結(jié)合，以保證STM32GPIO的采集需求，從而調(diào)控?fù)舸蛄Χ龋蕴岣咧悄芗揖右蜗到y(tǒng)的捶背舒適性。而重量傳感器模塊主要用于智能家居座椅組合結(jié)構(gòu)的受力測(cè)量。在該模塊的設(shè)計(jì)中，本文選擇BS1型傳感器。該傳感器的測(cè)量范圍為0～200 kg，可以滿足測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。在BS1型重量計(jì)中，本文還加入了微分信號(hào)的輸出，使其能夠與傳感器的信號(hào)處理相結(jié)合，優(yōu)化傳感器的輸出和輸入。通過(guò)將2個(gè)階段的運(yùn)放相結(jié)合，可以滿足電壓信號(hào)的傳輸，確保電壓信號(hào)的準(zhǔn)確傳遞，從而形成一個(gè)傳感器技術(shù)系統(tǒng)。

在智能家庭座椅中，光電傳感模塊能夠檢測(cè)人體的紅外輻射，從而提高感應(yīng)器的感光強(qiáng)度。此次研究在光電傳感模塊的設(shè)計(jì)中采用了熱釋電傳感器。該傳感器的感光電阻會(huì)隨著外部光照強(qiáng)度的增大而減小。在高電平的檢測(cè)中，本文對(duì)電傳感器的啟動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，并將其與熱釋電傳感器的啟動(dòng)相結(jié)合，使其與使用者的家庭座椅緊密相連，確保探測(cè)信號(hào)能夠傳輸至STM32模塊中進(jìn)行檢測(cè)。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)主要是通過(guò)STM32模塊進(jìn)行微信應(yīng)用程序之間的直接通信聯(lián)系。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用ESP8266模塊，通過(guò)SIM32進(jìn)行AT指令的發(fā)送，以保證傳感器的準(zhǔn)確定位，并將有關(guān)的技術(shù)內(nèi)容與指令的無(wú)線傳送相結(jié)合。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊的主要功能是在5 GHz范圍內(nèi)，與IEEE 802.11a在多方面的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制相結(jié)合，使智能家居椅系統(tǒng)的傳送速率達(dá)到通信標(biāo)準(zhǔn)。智能家居座椅系統(tǒng)的遠(yuǎn)程遙控模塊設(shè)計(jì)是以Java為基礎(chǔ)，利用Java軟件開(kāi)發(fā)出適合的推拿和控制復(fù)合機(jī)械，以實(shí)現(xiàn)輔助功能。遠(yuǎn)程遙控模塊可以幫助用戶通過(guò)手機(jī)App對(duì)智能家居椅進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而增強(qiáng)智能家居椅的智能輔助閱讀功能。

3基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居椅性能測(cè)試

為了確保研究提出的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居椅（智能家居椅1）的復(fù)合結(jié)構(gòu)、輔助閱讀結(jié)構(gòu)、插頭結(jié)構(gòu)等安全可靠，本文將其和市面上相類(lèi)似的奧德朗智能家居椅（智能家居椅2）、榮泰智能家居椅（智能家居椅3）以及好亦佳智能家居椅（智能家居椅4）進(jìn)行性能對(duì)比試驗(yàn)。此次對(duì)比試驗(yàn)的測(cè)試在恒溫恒濕的室內(nèi)環(huán)境中進(jìn)行，確保測(cè)試條件的一致性。本文通過(guò)對(duì)比智能家居椅的復(fù)雜機(jī)械輔助實(shí)驗(yàn)結(jié)果、復(fù)合結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果以及輔助閱讀結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證所提智能家居椅的實(shí)用性。4種智能家居椅的復(fù)雜機(jī)械輔助實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及二次開(kāi)發(fā)后的控制準(zhǔn)確度對(duì)比結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，本文提出的智能家居椅1在500次復(fù)雜機(jī)械輔助試驗(yàn)中的成功率為91.58%，顯著高于智能家居椅2～4的成功率（分別為89.21%、84.83%、80.98%）。而當(dāng)復(fù)雜的機(jī)械輔助試驗(yàn)次數(shù)在200次以上，且總成功率在91.50%以上時(shí)，說(shuō)明該智能家居椅的整體性能較好。故由以上結(jié)果可知，本文所提智能家居椅1的整體性能優(yōu)于智能家居椅2～4，且能夠達(dá)到較好的設(shè)計(jì)性能。

本文對(duì)4種智能家居椅進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，并對(duì)4種智能家居椅的控制準(zhǔn)確度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，智能家居椅1～4在500次控制準(zhǔn)確度測(cè)試中的準(zhǔn)確率分別為91.43%、87.85%、84.16%、82.34%。該結(jié)果說(shuō)明，本文提出的智能家居椅1的整體控制準(zhǔn)確度優(yōu)于智能家居椅2～4。此外，當(dāng)智能家居椅的控制準(zhǔn)確率在90.0%以上時(shí)，控制性能較好。故由以上結(jié)果可得，本文所提智能家居椅1的整體性能較優(yōu)。4種智能家居椅的復(fù)合結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果和輔助閱讀結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由表1可知，本文所提智能家居椅1在復(fù)合結(jié)構(gòu)承重、穩(wěn)定性、輔助閱讀結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)范圍和舒適度評(píng)分上均優(yōu)于其他3款智能家居椅。同時(shí)，智能家居椅1的插頭結(jié)構(gòu)也通過(guò)了安全性測(cè)試，說(shuō)明其整體設(shè)計(jì)性能較為優(yōu)秀。上述結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了智能家居椅1在性能和舒適度方面的優(yōu)越性。綜合上述各個(gè)維度的比較，可以發(fā)現(xiàn)，本文所提基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居椅具有較強(qiáng)的實(shí)用性，可促進(jìn)智能化家居的發(fā)展。

4結(jié)語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能家居設(shè)計(jì)正逐漸成為提升現(xiàn)代生活品質(zhì)的關(guān)鍵因素。本文深入探討了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想到關(guān)鍵技術(shù)支持，再到具體的硬件設(shè)計(jì)，全面分析了智能家居系統(tǒng)的構(gòu)建和工作流程。本文還提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居椅系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)實(shí)際的性能測(cè)試驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可靠性和實(shí)用性。

總體而言，智能家居設(shè)計(jì)正朝著更加智能化、個(gè)性化和集成化的方向發(fā)展。未來(lái)的智能家居設(shè)計(jì)將更加注重用戶體驗(yàn)，通過(guò)不斷融合新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)家居生活的全面智能化，為用戶創(chuàng)造一個(gè)安全、舒適、便捷的居住環(huán)境。同時(shí)，智能家居設(shè)計(jì)也將進(jìn)一步推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在家庭生活領(lǐng)域的應(yīng)用，為智能家居產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，助力我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

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（編輯王雪芬編輯）

Smart home design under the Internet of Things technology： taking smart home chair as an example

DOU" Qia

（School of Electronic Information， Wuchang Polytechnic College， Wuhan 430070， China）

Abstract： In order to improve the intelligent level of smart home， this study proposes a smart home design scheme based on the Internet of Things technology， and takes the smart home chair design as an example to verify the feasibility of the scheme. Research on the proposed smart home chair performance test shows that the success rate of the mechanical assistance test of the smart home chair is 91.58%， which is better than the comparison of the other smart home chairs and reaches a higher design level. The results show that the smart home design scheme proposed in this study is practical， and can provide an important reference for the design and optimization of smart home， and promote the intelligent development of smart home.

Key words： Internet of Things technology; smart home; design; smart home chair