智能家居系统设计

赖文曈

摘要：当今社会，物联网高速发展，人们对住宅的要求从面积大小以及费用逐渐转移到对装饰材料，家用电器，安全防范措施和抄表收费安排等更高的要求上，这就要求房屋必须达到智能化的水平，智能家居应运而生，解决了用户对家居智能化的要求，因此，将家庭中各种家电设备、家庭安保装置和个性化家居设备通过家居控制系统进行整合，并进行远程控制和管理。

关键词：物联网；家居；智能化；控制管理

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）08-0023-03

Abstract： In today's society， the Internet rapid development， people demand for housing from the size and cost gradually transferred to the decoration materials， household appliances， safety precautions and fee schedule of higher demand， which requires the house must achieve the level of intelligent， smart home came into being， solve the user demand for household intelligent， therefore， will all kinds of household appliance in the family， family security and personalized household equipment through the home control system integration， and carry on remote control and management.

Key words ：Internet of Things； home furnishing； intelligentize；control supervisor

随着时代的发展，在物联网作用下，一种新型的家居逐渐走入每家每户，他们便是智能家居。人们对周围环境不断地提出新的要求，而且还凭借智慧使世界不断变化，生活由以前茅草砖房条件到建筑别墅。现在人们在家里不再单纯局限于追求住房面积和位置，而对装饰材料，家用电器，安全防范措施和抄表收费安排等也提出了更高要求。特别是随着互联网的发展，网络已经逐步走进千家万户，当人们享受网络带来的便利性，而且还希望对家居用品和环境的管理和控制网络，尤其是当人们外出工作，旅游，或者出差时对监视居住的远程联网，将在案件智能对象居住地无一遗漏，具有一定程度的自动化，智能化，让业主感到安全。智能楼宇，智能小区和智能家居最近的研究是很受欢迎，在我们国家，有些研究甚至应用到工程实践中，具有广阔的市场前景。

本文先介绍了智能家居的发展状况，定义以及特点，然后介绍了智能家居的硬件构造，最后介绍其软件系统。

1 智能家居

1.1智能家居的发展情况

20世纪80年代早期，大量使用电子技术的家用电器出现、住宅电子化出现。80年代中期，家用电器、通讯设备和安全防灾设备功能独立的综合，形成一个家庭自动化的概念。在80年代末，通讯和信息技术的发展，出现了各种各样通过总线技术对住宅通信、家电、安保设备监控，控制和管理的商业系统，这是智能家居的原型，在美国称Smart Home。智能家居最初被定义为：“将家庭中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家庭保安设备，通过家庭总线技术连接到家庭智能化系统上，进行集中或异地监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些设备与住宅环境和谐与协调。“这个概念正式设置之前，标准组织小组也在积极研究。1979年斯坦福研究所提出的控制线电器和电子设备集成总线，并成立了相应的研究会进行研究；1983年，美国电子工业协会开始制定标准，并于1988年编制了第一个适用于家庭住宅的电气设计标准，即《家庭自动化系统与通信标准》，同一时期日本正处于住宅建造过剩，房地产市场低迷时期，日本建设省需要找到新的市场亮点，智能建筑成为了首推的概念，并提出了所有住宅信息管理都采用家庭总线系统，相关标准—HBS标准也于同年九月制定完成。1990年日本在幕张建立了一个高标准示范性智能小区。HBS成为了智能住宅的基本单元，也是其核心。到了1990年X-10的出现再度改变了智能家居，使智能家居更加适人，更加符合时代需求。[1]

1.2智能家居的定义

智能家居，或智能建筑，英文名为“Smart home”。智能家居是以住宅为平台，兼备建筑设备、网络通信、信息家电，和设备自动化、及系统、结构、服务、管理为一体的高效是、舒适、安全、便利、环保的居住环境。[2]

智能家居也可以定义为一个过程或者一个系统，即利用先进的计算机技术、网络通信技术和综合布线技术，将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适、安全、高品位且宜人的家庭生活空间，而日‘还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化.人们的生活方式，帮助人们有效地安排时闻，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。[3]

1.3智能家居的特点

1.3.1改变了人们的生活方式

智能家居将改变我们的衣食住行，我们将用一个控制器终端完成所有操作。早上起来，我们便用手机打开窗帘，随后打开窗户透气，起床后我们手机打开煮饭机器，为我们定制早餐。中午回到家之前便提前打开空调调节温度，并使清洁机器人通电，开始进行卫生清洁。到了晚上我们同样通过手机拨号，关闭窗户，制作晚餐，烧好洗澡水，到家又饿又困的我们能好好享受一下，到睡觉时，房间的定会自动关闭。

1.3.2改变了人们的工作方式

相当一部分人将选择SOHO（Small Office Home Office）家庭办公的方式，智能家居为实现SOHO提供了方便。

1.3.3牵动了一大批产业

智能家居的出现，促进了房地产业的发展，提升住宅质量；安防生产企业的发展得以加速；传统家电企业将不得不转型生产家居集成家庭使用的智能化，数字化，网络化的产品，潮流下的网络；家居集成已经成为一种潮流，很多更专业，美观，智能家居集成产品纷纷亮相，冲击了原产品市场在这个行业的影响；该行业的新领域 - 智能装修行业诞生；一批专门从事智能家居的市场调研，产品规划，以促进他们的业务；社区配送，社区服务，居住安全，医疗保险和其他专业服务的社区中心将会迅速发展。

1.3.4开拓了一个崭新的市场

从美国的情况看，由于发展了家庭网络，不仅牵动了许多的行业，而且开拓了新的大市场。据报导，美国在家庭控制网络方面投入7甲25亿美元，到2000年底，已有27，5亿美元的销售收入。这仅仅是控制网络，如果加上家庭信息网络以及由家庭网络带来的各种产品和服务，其总的效益是难以估计的。

从美国的角度来看，由于家庭网络的发展，不仅触及许多业内，也开辟了新的市场。据报道，美国投资了250万美元的家庭控制网络，到2000年底，已有27.5亿美元的销售额。这仅仅是控制网络，如果加上家庭信息网络以及由家庭网络带来的各种产品和服务，它的整体效益是难以估量的。

2 智能家居的硬件构造

2.1手持控制器设计

手持终端控制器是该系统的核心，是收集和处理信息的中心，是命令配送中心。其作为控制芯片S3C6410处理器的使用，在其上来运行的操作系统是Linux2.6.38。其基本电路包括S3C6410芯片，256M内存DDRRAM，1GB NAND闪存。此外，还包括一个串行外围电路，ZigBee通信模块，实时时钟模块，彩色触摸屏，和电源模块。 NAND Flash存储器被用来存储已调试的应用程序和嵌入式Linux操作系统，用于调试系统的串行端口连接和GPRS模块与用于查询信息和有关状态的终端设备，彩色触摸屏显示系统进行通信。整个手持终端控制器使用C++图形用户界面库QT编程。

在图中示出其中手持终端框图，GPRS DTU是一个网络的无线数据终端，使用公共网络运营商向用户提供长距离无线数据传输。集成TCP/ IP协议，提供双向串行数据转换，自动心跳，保持永久在线支持参数配置，永久保存，让用户设置串口参数。 WG-8010在本设计中使用GPRS DTU产品提供了一个标准的RS232/ 485的数据接口，只需一次就能完成初始配置中，用户设备可以建立经由GPRS无线网络，实现数据的透明传输到数据中心的连接。使用MAX3232电平转换器的接口DB9 RS-232接口通信。如图2所示。

该系统的具体接口电路采用QT编程，采用彩色触摸屏使得终端控制器具有良好的人机交互。

2.2智能家居的网关节点

智能家居网关节点系统采用三星公司的S3C2410芯片。三星S3C2410处理器基于ARM920T处理器核心，该处理器具有：独立的16KB指令和16KB数据缓存缓存，MMU，NAND闪存控制器，3路UART，4路DMA，I / O端口，8通道10位ADC，触摸屏接口，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，两个USB主机，USB设备等。这些特点都非常适合网关节点。图是网关节点。

使用博创公司的S3C2410型开发平台，该平台提供了丰富的接口，如以太网，CF卡接口，视频和音频接口，接口RS32，从USB主机接口AD / DA转换。

3 智能家居的软件系统

3.1 ZigBee

ZigBee是一种新型的短距离传输、低功耗、低成本、低复杂度的无线个域网技术。适用于通信数据量并不大，数据传输速率相对较低，分布范围小，但有一个小请求数据安全可靠，并且需要成本和功耗非常低，并且易于安装和使用。无线个域网作为一个无线连接，它可以工作在2.4 GHz（全球流行），868 MHZ（欧洲流行）和915 MHZ（美国流行）三个频段，分别是250 kbit / s，20 kbit / s和40 kbit / s的传输效率，传输距离在10 - 75的范围，但是你可以继续增加。智能家居系统，安全性和传输效率不高，使用无线个域网技术，传输控制信息的好方法[4]。

建立了ZigBee的网络中，网络设备按照各自的功能一般分为三个部分：节点、路由和协调器。是指整个网络的终端节点，中指的家居系统是家庭无线节点，它的作用是收集数据接收控制命令，适用于协调员加入网络同时；路由器相当于网络站，负责从数据协调和转发节点协调器无线节点发送数据，协调器是整个网络的控制中心，负责网络的建立和维护。模型离开（FFD）路由器和协调员（是一个功能齐全的设备，他们可以接收数据还可以发送数据，节点是一个减少一半功能设备（RFD）功能，它只能发送数据，不能接受其他节点数据。在一个ZigBee网络可以有多个节点和路由器，可以没有路由器，但至少需要一个协调器，智能家居系统采用ZIgBee网络路由器的结构。

3.2远程通信软件设计

该系统进行远程监控，使用一个独立的Windows 作为PC服务器的操作系统，使用Java作为编程语言，用公网固定IP，作为客户端和手机手持终端控制器之间的沟通桥梁。服务器最初处于监听状态时，移动客户端和手持终端控制器通过GPRS连接与服务器进行认证的连接，服务器发送命令所述移动客户端和传送到手持终端控制器，手持终端控制器的反馈和家庭环境信息发送到服务器，该服务器是通过发送到所述移动客户端的处理。

移动客户端和手持终端控制器被设置分别对每个操作其自己的特定字符串发送给服务器，该服务器

识别处理，然后发送到相应的终端特定字符串。对于移动客户端发送时，乱码等可能会出现数据包丢失，系统将反馈机制来确认。

1）当由移动客户机发送的命令成功到达经由手持控制器服务器的终端，并且所有的操作都成功完成，则控制

终端系统会发送“OK”串到GPRS模块，被发送到通过移动客户端的透明传输服务器最终得到显示出“确定”字的串；

2）超时限制，如果客户端等待手机“OK”确认超出套餐的正常范围的时候，客户端立即重发命令，直到您收到“OK”确认包装为止；

3）对于字符串的情况下传输，服务器或手持式控制器识别过程中出现乱码，给移动客户端返回“ERROR”字符串，这样直到客户端重新发送指令接收到“OK”串起来。

通过反馈机制确定，以避免网络不佳的信号传输过程中的影响所造成的意外情况的干扰，如无效操作

3.3 android软件设计

该系统采用Android应用软件的智能家居远程监控，为良好的用户体验，使用一个主Activity接口，多个子Activity界面架构，主界面和子界面通过无线电通信。如图所示的Android应用软件的接口架构。

手机客户端软件的过程：在主界面进行初始化，界面绘制后进入事件监听与服务器建立SOCKET 连接后启动GPRS 接受线程，接受一个线程后，并建立，注册广播到广播级监听。当用户输入子接口，进入的事件侦听器初始化之后，登记广播到广播监视器。例如，当您通过无线电点击子屏幕上的按钮，按键处理机制将被发送指令到主界面，到主界面后，调用SOCKET对象接收广播，发送命令到服务器时，服务器将处理反馈状态信息返回到所述移动客户端，GPRS线程将接收通过广播接收，然后发送到子接口，使事件的完成的交易的信息。

参考文献：

[1] 康习勇.蓝牙技术在智能家居中的应用研究[J].信息化研究，2014（8）：61-65.

[2] 徐方荣.无线智能家居控制系统的设计[J].控制工程2007（9）：7-9

[3] 范丽娜.智能家居系统中家电控制的研究与实现[D].南京邮电大学，2011.

[4] 叶红.异构网络环境下智能数字家庭系统设计[J].通信与信息系统，2007（5）：32-33.