基于WiFi技术的智能家居系统设计

曹庆年+李颖+张晓蕊+孟开元

摘 要：智能家居是物联网在家居方向的一个重要应用，该系统设计为控制、采集和分析三大部分，分别实现状态控制、家电相关参数数据采集以及云端数据分析处理功能。基于这三大功能设计了应用层通信协议，在Wi-Fi技术支持下，实现终端用户对家居情况的可视化了解和控制，提高了日常生活效率和生活质量。

关键词：智能家居；物联网；Wi-Fi技术

DOIDOI：10.11907/rjdk.171359

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号文章编号：1672-7800（2017）008-0067-02

0 引言

随着物联网时代的到来，人们对方便快捷的生活要求日益提高，各式各样的物联设备不仅服务于工业生产，也出现在人们的日常生活中。物联网就是将物与物、物与人通过网络连接并将信息在网络上传输的互联网，其核心流程是通过各种传感设备将信息采集后，通过通信网络将信息传输至网络终端加以处理，并将信息反馈呈现给终端用户。

基于物联网，结合安全防范技术、自动控制技术等，构建智能家居系统，实现家居生活的自动化和智能化，使家居生活更加便捷。

1 系统总体设计

1.1 设计目标

以实现家庭自动化为目标，实现各电器状态查询功能，居住环境温度、湿度实时监测以及异常报警功能，用电器的添加管理功能，最终可以通过终端对家庭环境、电器状态等进行综合监控、智能化管理，更好地服务人们的生活。

1.2 系统结构

系统分为3个部分，信息采集层、信息传输层、信息管理层。信息采集层通过家用电器的内置传感器完成，声敏、热敏、气敏和化学传感器等，它们像人类的感官一样将感受到的信息采集起来。信息传输层通过Wi-Fi模块以及路由器实现，传感器将采集到的信息通过Wi-Fi连接到无线局域网并将信息发送至路由器，路由器将家庭无线局域网和互联网相连，并转发信息至服务器。信息管理层通过终端手机、PC来完成家用电器信息的查看与管理，终端用户向服务器请求查看具体家用电器参数，服务器响应该服务请求进行处理，查询终端请求数据，送回终端显示给用户。系统结构设计如图1所示。

1.3 系统模块

系统由三大部分构成：控制系统、采集系统、分析系统。控制系统负责家电的开关状态控制、各家电参数的控制等，采集系统对监测参数进行采集并提交分析系统进行系统性分析与处理。系统模块如图2所示。

其中，照明系统控制家中各房间的灯具，一般分为可调亮度的和不可调亮度两种。对不可调亮度的灯具可通过无线终端单元输出单路数字信号与开关面板输出的信号经过异或门后连接到灯具输入端，这样中央控制系统通过远程或直接通过面板都可以对灯具进行控制，互不影响；对于可调亮度的灯具则需要无线终端单元将输出的亮度信号通过AD转换芯片转换成模拟信号再输入灯具端以达到调节亮度的目的。

家电智能远程管理系统主要负责对家电的管理，主动进行家电状态的改变，或对家电进行远程预约。

环境监测系统完成家庭温度、湿度、空气質量相关参数以及关键位置视频图像的采集，采集模式分为3种：定时采集、主动采集、触发式采集。定时采集即对每个参数进行固定时间的周期式采集，在云端生成报表供查看；主动采集即终端用户主动进行参数查看；触发式采集即在满足特定条件下进行触发采集。

敏感信号报警系统主要结合环境监测系统所采集的相关敏感参数，比如一氧化碳浓度、烟雾等进行限值的判定报警，不同参数设置不同的报警对象。

云端大数据分析将利用相关算法，对数据进行综合分析及处理，使家庭离散数据信息整合成为可视化的有意义图表信息呈现给终端用户，并给出合理化建议。比如：通过对家电的预约情况结合时间进行分析，得出用户的生活习惯并以图表的形式展现给用户，供用户参考调整。

2 系统通信协议设计

目前，使用较为频繁的几种短距离无线通信技术分别为蓝牙、ZigBee、WiFi等。蓝牙具有功耗低、稳定等优点，大部分手机都支持，但其传输速率较低；ZigBee功耗非常低，并且可以自组网，但其传输速率慢；WiFi是使用最广泛的无线局域网通信技术，几乎家家都在用，而且其传输速率快，还可以联网。本系统的主要目的是控制和查询家电状态，联网和数据传输速率是重要的性能指标，因此选用WiFi技术作为家电无线通信技术。

对WiFi框架进行分析，基于Wifiservice类，使用Wifimanager类实现对WiFi模块状态的获取，并用其配置和控制WiFi模块。

2.1 通信模型

本系统信源为家用电器，不停运转的电器每时每刻产生信息，然后通过无线网络的方式传递至终端用户。通信流程如下：家用电器产生信息，通过换能器将信息进行能量变换（声电、光电等），将能量变换为电信号，再通过数模转换单元，将模拟信号转换成数字信号，然后将信号编码成为一个数字序列，增加信息的有效性，最后将信息进行调制后发送至无线通信信道。相似地，将信息送至用户终端为其反向流程。

2.2 协议设计

通信协议就是相互交流的一套规则，它包括语法、语义、时序，即对等层实体之间信息从源地址发至目的地址。两者之间需要统一发送信息的数据结构或格式，统一发送信息的顺序，统一发送控制信息的响应方式。

本系统使用手机、PC终端控制并查询家用电器的信息，此过程需要制定一个通信协议来统一终端和用电器之间的规约，让电器正确接收并处理终端给出的命令。因此，智能家居的通信系统拟为互联网 5层协议栈，每层用下层的服务处理本层需求。协议栈的体系结构如图3所示。

物理层处理电器机械、电气的接口负责物理传输，即将编码好的数字序列一个个地发至物理链路；数据链路层将数据报封装成适合在物理链路上传输的帧格式，以数据帧的形式让数据在链路上传输；网络层负责将传感器采集的信息独立地从电器发送至用户终端；传输层采用TCP协议，负责向电器和终端用户之间提供应用程序进程间的传输服务；应用层在TCP/IP协议的基础上设计一套自定义的协议。数据报格式如图4所示。endprint

该自定义协议参照系统模块设计，功能码字段可分为控制、采集、配置3部分。控制即家电开关状态、可控参数的控制；采集即温度、湿度、灰尘等传感器环境参数的采集；配置即家电预约配置。功能码表如图5所示。

设备号占一个字节，它是区别每个电器的标识，每个正规的电器出厂时，生产厂家都应对它设置一个唯一的编号，这样就避免了相同电器的冲突问题。数据部分存放具体的信息、采集的参数数据以及预约的具体内容等数据。检验码占两个字节，采用CRC循环冗余校验的方式，先选择一种方案生成多项式，再计算出冗余码作为校验码附在数据帧的后面进行校验。

3 结语

本文以家居自动化为目标，进行了智能家居系统的整体设计，整个系统分为控制系统、采集系统和分析系统3部分。随着人工智能的不断发展，智能家居可以优化分析系统中的云端大数据分析模块，考虑加入更加合适的人工智能算法，使整个智能家居系统的功能从辅助生活向指導安排生活方向发展。同时，重视用户数据和隐私保护，避免连接物联网之中的物品、数据等受到恶意攻击。

参考文献：

[1] 许奎.智能家居通信协议综述[J].仪器仪表用户，2017，24（2）：9-11.

[2] 丁函，罗军，陆文骏，等.智能家居控制APP系统的设计与实现[J].计算机技术与发展，2017（1）：121-125.

[3] 尚兴宏，钱焕延，高德民.基于最优化理论的无线传感器网络通信模型[J].计算机工程，2012，38（6）：113-115.

[4] 张保建.物联网技术下的智能家居系统设计研究[J].科技展望，2017，27（3）：12.

[5] Information technology-telecommunications and information exchange between systems-near field communication interface and protocol （NFCIP-1） - RF interface test methods[Z].JSA JIS X 5213-2010.

[6] HAN D M，LIM J H.Smart home energy management system using IEEE 802.15.4 and ZigBee[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2010，56（3）：1403-1410.

[7] ARISTODEMOS PNEVMATIKAKIS.Recognizing daily functioning activities in smart homes[J].Wireless Personal Communications，2017（3）：1-6.

[8] 卜晓晓.基于Android和WiFi的智能家居系统的设计与实现[D].镇江：江苏大学，2016.endprint