智能家居系统设计方案

邢雪峰，谷宇静 ，马靖煊，朱玉荣

（1.地球信息探测仪器教育部重点实验室吉林长春130026；2.吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林长春130026）

随着现代科学技术的发展，现代家庭已经不再简单地追求家居的美观大方，而是崇尚更加舒适更加便利的生活环境，于是智能家居应运而生。智能家居是以住宅为平台，综合利用自动控制技术、网络通信技术等技术创造一个高效、安全、便利、环保的居住环境。智能家居实现服务的4个步骤主要有：信息感知、人的行为识别与理解、服务决策和服务执行[1]。所有步骤的实现都基于系统的研究与设计，目前系统设计采用的技术有无线网络技术、自动化控制技术、传感器技术、嵌入式技术和Android应用技术等[2]。

与传统家居相比，智能家居要求不仅具有传统的居住功能，还要求其具备设备自动化、远程控制、节约能源的特点；既能满足日常的居住需求，也要对居住空间的功能作进一步的扩展。例如智能窗帘可以根据光照强度的不同和时间的早晚自动控制窗帘的关闭和打开；智能灯光控制系统通过一个集中控制器或者遥控器调整光的强弱，控制不同房间灯的亮灭及实现定时控制等功能；智能插座还可以通过Wi-Fi远程遥控其并使其供电断电进行切换与定时供电。智能家居系统通过技术的综合应用实现了信息的采集、输入、输出、集中控制、远程控制、联动控制等功能[3]；同时对医学技术的适当应用还可以对家中病人突发紧急情况时的特殊事件作出一定的处理，如在卧室床头设置一个求助按钮，当有紧急情况发生时，病人可及时向家人或救助中心求助；另外也可将可穿戴式智能设备运用到智能家居系统中，如美国最新研究出的可帮助跌倒老人脱险的可穿戴式设备，它可以检测老人是否跌倒，并向紧急救助中心发送救助短信，发送老人的实时位置，同时还具有手动的呼叫按钮，及时地帮助跌倒老人脱离险境。

1 系统总体框架

智能家居系统以中央控制系统为核心，用有线和无线通信技术连接整个系统网络，大致可分为控制系统、通信系统、执行系统3个方面，框图如下图所示。通信系统负责在家庭网络中进行信息的传输，执行系统对控制系统发出的指令进行操作执行，系统之间的协调运行保证了功能的实现。

图1 智能家居系统结构图

在传统家居的基础上进行技术革新，逐步实现了家居的自动化和智能化，如智能冰箱和智能空调等，都可根据用户需求调整其相关设置，为智能家居的发展打下了基础。随着网络技术的发展，HomeRF、无线蓝牙、Wi-Fi等技术概念相继被提出，智能家居系统将利用这些技术与家庭信息管理平台有机结合起来[4]，从而促进智能家居产业的升级。

1.1 网络设计方案

智能家居网络系统一般通过有线传输方式和无线传输方式来进行数据信息交换：无线传输方式一般以无线传感器为枢纽，检测室内外环境，并使用云计算技术，使用户可以采用PC端或手持终端对家居系统进行调整和操作。

有线传输方式一般以电力载波方式为主体，对其他外围设备进行协议控制，实现智能设备之间的通信与控制，因此电力线布局是否合理也从一定程度上影响着家居间通信的效率。目前可接触的运用到智能家居的无线传输方式一般有蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等。其中ZigBee是一种高可靠的数据传输网络，建立于IEEE802.15.4协议之上，传输速度较蓝牙速度慢，但成本与蓝牙相比较小；ZigBee技术的应用使家居网络具有自组织性、自适应性，提高网络安全性等特性[5]。

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量传感器节点相互通信形成的多跳自组织网络系统，是物联网底层网络的重要技术形式[6]。利用无线传感器网络对室内外的温度、湿度、光照强度等数据进行采集，然后将获取到的数据进行分析处理，反馈到用户处供用户选择，从而对家居系统做出调整。

云计算是一种基于互联网的新型计算模式，它以资源租用、应用托管、服务外包为核心，通过共享资源池，使用户根据其自身需要利用网络获取相应的资源，并支付一定的费用[7]。云计算具有强大的运算能力，自从云计算的概念提出以来，其作为一项新技术得到了快速的发展。将云计算引入智能家居系统中，并在互联网的支持下，利用特有算法得出适合于用户的方案，可供用户在使用终端获取家居系统的应用服务；同时结合RFID定位算法对用户位置的实时定位，用户可通过手持终端就可以实现照明、空调温度等的自动控制。用户也可通过云服务获取其它住宅或小区的有关信息，从而实现真正意义上的智能住宅。在小米的智能家居产品矩阵中，利用云服务，用户可在手机终端快速安装相关的服务程序，通过手机远程遥控家中设备。

1.2 模块设计方案

智能家居系统的设计可分为若干个模块进行操作，即采用模块化设计方案。模块化设计是将模块化引入设计，将系统按照一定规则划分为若干个模块，然后对每个模块分别进行设计、综合，然后将所有模块实现的结果有机地结合在一起，从而完成整个系统的设计[8]。

智能家居系统设计具体可分为控制模块（如中央处理器），数据采集模块（室内温度、湿度，空气质量等），安防模块，以及功能模块（照明，制冷，清洁等）。单独的模块具备一定的独立功能，而将不同的模块进行组合的时候又会产生不同的功能叠加，如灯光照明和门控设备，在没有接入系统时单独使用，而接入系统后可以相互传递数据，实现协调联动，如当用户准备进入房间时可自动打开房门，并开启照明设备。同时，用户可以根据需要自行更换模块，如更换处理速度更快的控制模块，或者是低功耗的控制模块，更换单个精度更高的数据采集模块，或者是功能多的数据采集模块，以及搭载多个功能不同的功能模块，这样使用户可以根据自身需求随时随地选取适合自己家庭的系统模块。

2 控制模块设计

智能家居控制器是智能家居控制系统的核心，承担系统调整等多种任务。由于嵌入式系统具有较好的可扩展能力与功耗低的特点，可以用嵌入式微处理器来构建控制平台。目前，市场上实时嵌入式操作系统种类繁多，常见有以下几种：Vxworks、Windows CE、p SOS、Palm OS、Linux、μ C/OS-II、μ CLinux等。但上述RTOS大都属于商用操作系统，费用昂贵且应用领域针对性强。相对来说，μ C/OS-II可完全免费使用，并可提供全部源代码，且操作系统简单、高效、易用[9]。因此μ C/OS-II在智能家居中会具有更广泛的应用空间。此外，控制终端大多采用PC终端或手机终端，相对于PC终端，手机终端在便携性与体积方面具有更大的优势。随着Android智能手机的兴起，让Android系统进入智能家居的控制系统将是未来技术的发展趋势，利用Android系统提供的资源搭建控制终端app，同时结合Wi-Fi技术实现对家具设备的远程控制[10]，用户便可随时对家居设备进行调整控制。另外，随着智能手环与智能手表等可穿戴智能设备行业的兴起，将可穿戴智能设备引入智能家居系统中，作为手持终端的一部分，势必会为住户带来一场全新的用户体验。

2.1 数据采集模块

在智能家居系统中，每一部分若想实现用户定制，都离不开数据采集。这时需要传感器及时对室内环境进行检测，采集数据量。若房间内合理布置光线传感器，将光照强度这一模拟量转换成数字量传到中央控制系统，在走廊及卧室门口布置红外传感器来感知住户的夜间活动，从而可以根据用户行为调整照明设施与窗帘的闭合；空调内的温度传感器采集温度信息，当室内温度高于或低于阈值时，控制系统控制空调做出相应调整适当降低或升高温度；在室内安装空气质量传感模块，即甲醛传感器、煤气传感器、粉尘传感器等，这些传感器检测室内空气质量情况，再结合Zigbee技术，将信息量反馈到中央控制系统，通知住户根据需要对房间情况进行调整。

2.2 安防模块

随着人们安全意识的不断提高，社会治安问题的显著，家庭环境的安全问题逐渐被住户所重视起来。因此安防系统成为智能家居系统中不可或缺的重要部分。智能家居安防系统大多以物联网技术为依托，结合高可靠性、低成本的Zigbee无线传感器网络技术、移动通信网络技术、全球定位系统（GPS）以及位置服务（LBS）等新技术，实现其功能。一般安防系统的基本功能有：智能门禁、煤气泄漏检测、室内人员定位、视频监控、手机客户端控制等。当系统发现异常情况时，即传感器将检测到的数据传送到系统中，当超过预设定的安全值时，可通过GSM模块将报警信息发送给用户，从而用户通过手持终端获取家中信息，并采取一定的安全措施[11]，从而避免不必要的财产损失。

2.3 功能模块

在智能家居系统中，功能设计大致有照明、制冷、清洁、家电控制四大方面。在照明控制系统的模块中，若采用白炽灯泡，可通过灯光控制器，对室内照明进行调节；通过遵循通用的网络协议，结合嵌入式系统，对灯光控制进行预设，实现人性化的灯光调节[12]；但随着对照明要求日益增加，LED绿色光源逐渐进入大众视野，若采用多色LED灯珠，可根据通信协议调整LED灯的颜色、亮度、饱和度，对灯进行分组控制等[13]。家居系统在进行制冷时，温度传感器对室内温度进行采集，转换信息量，住户可通过Internet或手持终端远程查看或设定室内温度。在家庭清洁中，目前可运用到智能家居系统中的有地面清洁产品（扫地机器人）、空气清洁产品（空气净化器）、日用清洁产品（洗碗机、洗衣机、消毒柜等）、收纳清洁产品（垃圾桶）[14]；目前，海尔最新技术的洗衣机可以连入Internet，对洗衣程序进行更新下载，使洗衣更加智能化；另外，还可以让洗衣机在夜间谷电价时使用，在夜晚安静的环境中采用静音模式洗涤[15]。智能家居系统在进行家电控制时，应用多种无线及有线通信方式，切换控制方式（就地控制、场景控制、遥控控制、终端控制等），实时对电器电路进行开启或关闭，达到用户需求，以避免不必要的能源浪费或事故的发生。

3 结束语

智能家居是在互联网的时代背景下物联化的体现。智能家居系统利用多种技术将家居设备与家庭环境联系在一起，使用户获得前所未有的舒适家居体验，因而传统家居所看重的材质、工艺与外观这些因素在消费者眼中的比重正在逐渐下滑，取而代之的是统一、简洁、耐用与智能这些特色将成为家居的新卖点。家庭局域网与家庭自动化技术的结合带来一场全新的技术革命，是未来住宅的发展方向。结合Zigbee技术，同时使用手机和可穿戴设备作为智能终端的智能家居设计方案，必将成为未来智能家居设计领域的重要发展方向。

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