基于物联网的人性化智能家居系统研究*

陈耿新 陈鸿彬 龚绿绿

（1.揭阳职业技术学院 2.揭阳市二八智能家居有限公司）

0 引言

智能家居利用物联网技术将住宅中各种设备，如家电、照明设备、安防系统、家庭影院等，通过各种通信网络连接到一起，提供并集成家电控制、照明控制、安防报警、环境监测、暖通控制、远程及现场控制等多种智能化功能。智能家居为人们提供集系统、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境[1]。智能家居作为物联网技术的重要应用领域，国内外学者及企业均对其做了大量的理论与工程应用研究。Thinagaran Perumal（2011）等提出了一个互操作性强的智能家居系统框架，使智能家居系统各种控制方式协调、联合、统一执行[2]，但该系统模型未得到实际工程应用。Fei Lu（2012）等研究一个指示机器人活动的智能家庭环境，该智能环境由智能设备、智能人工标志、智能家居服务器、无线传感器网络等主要部分组成，实现机器人执行任务与环境智能结合[3]，其仅限于机器人应用。国内研究人员主要专注于基于ZigBee的智能家居及网关的研究与开发，但大多未应用到实际工程[4-7]。国外微软、IBM、三星、霍尼韦尔和国内上海索博、深圳波创、海尔等企业都进入智能家居的研发领域并推出相关产品，系统大多采用有线、无线结合的通信方式，产品成本高、性价比低、无线覆盖能力有限[8-9]。

本文首先根据物联网模型构建基于物联网的人性化智能家居系统架构，分析其3层模型各层次的功能及特点，进而研发系统的中转器、壁式智能控制终端、基于Android的智能控制终端。在此基础上，搭建整个基于物联网的人性化智能家居系统，进行远程控制及现场控制测试。

1 系统架构设计

图 1为基于物联网的人性化智能家居系统架构图，该系统分为感知层、网络层、应用层。

图1 基于物联网的人性化智能家居系统架构图

感知层位于最底层，负责数据采集与设备控制、传感网络组网与协同信息处理。结合基于物联网的人性化智能家居系统特点和需求，通过传感网组网与定位、信息协同处理、功能集成，整合物理位置相对独立而功能相关的各传感单元、执行单元，形成智能家电控制子系统、光照度测控子系统、温湿度与空气质量测控子系统、安防与门禁监控子系统等。各子系统实现智能家居系统的信息采集与设备控制。传感网络采用ZigBee、WiFi、433 MHz等无线通信方式[9]。

网络层为中间层，由各种内部网络、互联网、有线或无线通信网、家庭网关等组成，负责传递和处理感知层获取的信息、对感知层设备的控制命令。其中，家庭网关是内部网络与外部网络信息交换的桥梁，负责二者信息模型的转换、安全隔离。

应用层实现人与物信息交互，该层主要包括智能家居专用控制终端、智能手机、PC、平板电脑等控制终端设备及相应的控制软件。用户利用各控制终端，通过网络层控制传感层各测控子系统及单元，同时可显示传感层各测控子系统及单元的数据或状态。用户可在住宅中通过现场网络进行现场控制，也可通过互联网、2.5G/3G移动通信网等进行远程控制。

基于物联网的人性化智能家居系统3个层次模型清晰，各层相对独立且功能明确，交互工作，共同构成一个协调、统一的系统。

2 系统关键技术研发

由上述系统架构分析可知，智能家居物联网系统各层协调、统一工作，系统关键技术及部件包括壁式智能控制终端、中转器、基于Android的智能控制终端。

2.1 壁式智能控制终端

智能控制终端实现用户集中或单独控制各测控子系统及单元。图2是壁式智能控制终端框图及实物图，其包括控制器、无线信号发射装置、无线信号接收装置、按键装置、信息提示装置（提示灯、显示屏或发声部件）及存储模块。其中，控制器是核心，负责协调各部分运行、接收用户指令、构建场景控制等，通过控制器可实现回家、外出、就餐、娱乐、影视、会客等模式设置与控制；无线信号发射装置或无线信号接收装置可采用ZigBee、WiFi、433 MHz无线短距通信方式中的一种；红外发射装置包含均匀环绕于壳体外表面的多个红外线发射管，扩大红外线遥控角度及范围；存储模块存储无线信号指令。

图2 壁式智能控制终端

2.2 中转器

中转器学习并存储各种遥控器的按键指令，实现一个遥控装置控制多种电器及设备，方便用户使用。图3是智能家居物联网系统中转器框图，其包括中央处理单元、红外发射装置、红外接收装置、无线信号接收装置和存储模块。核心中央处理单元具有红外学习模块，负责接收无线控制信号、控制指令学习与解析、红外信号转换、各部分协调运行。存储模块存储红外信号与无线控制信号映射关系信息表。中转器无线接收装置与控制终端无线信号发射装置进行通信。

受控设备接收到控制指令后，尝试执行指令动作，之后返回一反馈信号，智能控制终端的控制器根据反馈结果驱动信息提示装置，实时掌握、显示设备的受控状态。

中转器有学习模式和工作模式两种。学习模式用于控制信号学习，通过操作中转器上的模式选择开关，使其进入学习模式。将普通红外遥控器对准中转器，并按下遥控器某一控制按键，发射一定频率的红外信号。中转器红外接收装置接收该红外信号，并传送给红外学习模块。此时，再按下控制终端按键装置某一控制模式按键，其控制器控制无线信号发射装置发射一无线信号，中转器无线接收装置收到该无线信号后又传送给红外学习模块，红外学习模块将接收到的红外信号与无线信号配对，将配对映射关系存入存储模块中，完成一个控制命令学习。通过上述操作，可将红外信号与控制命令一一匹配对应起来，并存入中转器存储模块。

图3 中转器框图

2.3 基于Android的智能控制终端

壁式智能控制终端不具备移动性及个性化控制，为克服壁式智能控制终端的不足，系统同时采用基于Android的智能控制终端，其界面友好，操作方便灵活，可集成住宅所有电器及设备的控制。

基于 Android的智能控制终端硬件平台采用ARM Cortex-A8内核架构，搭配Android 4.0.3操作系统，具有性能优越、功耗低、多任务处理流畅、触摸反应灵敏、成本低的特点，其硬件结构和实物如图4所示。该设备以Android操作系统为控制核心，由处理器（包括中央处理器CPU、图形处理器GPU、视频处理器VPU）、存储系统、发射系统、接收系统、显示系统、电源系统、触摸系统、多媒体输入/输出系统构成，其中发射与接收方式可以是ZigBee、WiFi、433 MHz中的一种或多种。

图4 基于Android的智能控制终端

基于Android的智能控制终端采用个性化控制软件系统，以实现用户增减、自定义情景控制界面。个性化控制软件系统采用的组件化技术方案如图 5所示。首先，将智能家居控制模型分解成一个软件框架和若干功能模块，并将功能模块封装成组件形式。用户根据控制需求，通过“添加”按钮，添加一个组件容器，并添加用户交互界面上各控制控件，将各控制控件与功能组件建立对应关系，调整功能组件参数。最后，将各功能组件集成到组件容器。用户通过自定义情景模式、控制界面完成个性化控制。

图5 个性化控制软件系统组件化技术方案

基于Android的智能控制终端的个性化控制软件系统如图6所示，图(a)、(b)分别是情景控制界面、电器控制界面。

图6 个性化控制软件系统

3 系统搭建与测试

搭建图 7所示基于物联网的人性化智能家居系统，系统包含智能家电控制子系统、光照度测控子系统、温湿度与空气质量测控子系统、安防与门禁监控子系统，采用433 MHz无线射频通信方式，可通过基于Android的智能控制终端、壁式智能控制终端现场控制或通过互联网、移动通信网远程控制各子系统及单元。

图7 基于物联网的人性化智能家居系统

基于物联网的人性化智能家居系统测试结果如表1所示。可以看出：该系统通过433 MHz方式控制比通过433 MHz和红外方式控制稳定；现场控制方式比远程控制方式相对稳定；远程控制中，移动通信控制方式稳定性略低于互联网控制方式。

表1 基于物联网的人性化智能家居系统测试结果

4 结论

1) 基于物联网的人性化智能家居系统架构分为感知层、网络层、应用层，各层相对独立而又相互联系，构成一个协调、统一的系统。

2) 基于 Android的智能控制终端是基于物联网的人性化智能家居系统关键技术之一，ARM Cortex-A8内核架构配合Android系统、组件化软件技术，实现个性化情景模式设置与控制。

3) 基于物联网的人性化智能家居系统具有性能稳定、性价比高、舒适安全、实用性及可操作性强等优点，其情景模式控制可个性化设置，且易于安装、维护及扩展。

[1]童晓渝,房秉毅,张云勇.物联网智能家居发展分析[J].移动通信,2010(9):16-20.

[2]Thinagaran Perumal, A R Ramli, Chui Yew Leong.Interoperability framework for smart home systems[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2011, 57(4):1607-1611.

[3]Lu Fei, Tian Guohui, Zhou Fengyu, etc.Building an intelligent home space for service robot based on multi-pattern information model and wireless sensor networks[J].Intelligent Control and Automation, 2012(3):90-97.

[4]朱明武,朱斌庚,刘桂雄,等.物联网与智能家居教学系统[J].自动化与信息工程,2011,32(5):22-25.

[5]王明杰.家庭网关的自适应性的研究与实现[D].成都:电子科技大学,2011.

[6]侯涛.基于 ZigBee技术的智能家居的网关设计[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2012.

[7]姜世芬,刘桂雄,吴国光.基于IEEE1451_5的ZigBee智能传感器即插即用性能优化[J].中国测试,2013,39(4):76-80.

[8]沈星星.基于 ZigBee的智能家居关键技术的研究[D].南京:南京邮电大学,2011.

[9]吕红海.基于Android的智能家居无线控制系统的设计与实现[D].成都:电子科技大学,2012.