软件可定义智能家居系统的设计

包依勤++袁杰

摘 要：当今社会经济迅速发展，智能家居逐渐流行。由于费用问题和维护问题，智能家居真正投入使用的大多是高档小区、别墅及一些特殊场合。我国是人口大国，大多数家庭还未体验到智能家居带来的便捷性和安全性。文中设计的系统软件可定义智能家居根据用户家庭需求、用户习惯提供服务，具有成本低、效率高、可扩展性强等特点。系统由云服务器、网关、采集器、移动端等组成，除远程实现家电控制外，系统云平台上还产生了大量数据，可通过数据挖掘技术分析用户习惯，从而产生较好的社会经济价值。

关键词：智能家居；可定义；大数据；云计算

中图分类号：TP368；TP277 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）10-00-03

0 引 言

目前，我国只拥有几十万使用智能家居的家庭，究其原因，安装智能家居需要花费巨额费用，对于普通家庭而言难以承受，因此较多用于高档小区、别墅及一些特殊场合，从而影响了家居智能化的推进速度。我国是一个人口大国，普遍家庭目前尚未体验到智能家居带来的便捷和安全。所以应顺应实际情况，建立一个低成本，高效率的智能家居系统，方便更多的家庭体验和使用。

通过软件定义智能家居能够很好地解决上述问题，实现远程控制、安防等全方位的管理，不仅给家庭用户带来了便捷的体验，还能让用户体验到个性化服务。本设计通过研究物联网、云平台、大数据等研发出一套可定义的控制平台，能有效控制智能家居的成本，并提升其可扩展性与可维护性，极大地削减了安装及维护费用，为用户提供便捷且安全的服务，主要包括以下几方面：

（1）可定义家居控制方式，选择本地或远程控制；

（2）软件可定义房间个数、房间名称、房间背景，如客厅、书房、卧室等；

（3）软件可定义家电个数、家电位置，如电灯、窗帘、电视、空调等；

（4）软件可定义传感器，如CO2、甲醛、PM2.5传感器等。

1 软件可定义智能系统的架构

软件可定义智能家居系统采用集中式信息处理模式，其架构如图1所示。系统主要由上层、中间层、底层构成。上层由云服务器、手机App构成；中间层是家庭网关；底层由控制台、传感器、控制面板、电器设备、开关等构成。软件可定义智能家居，用户通过手机App远程控制家电，数据流经云平台时，会产生大量数据，便于云平台进行大数据分析。家庭网关是整个系统的中间枢纽，向上与云服务器网络连接，接收用户发出的命令，向下与控制器连接，转发上层发出的命令。底层控制器通过物理方式连接所有的传感器、控制面板、家电开关等，完成真正的开关控制和数据采集。

底层控制台包含多种物理接口，如RS 232、RS 485、无线、32个通用IO口，可连接多种传感器、控制面板、家用电器、开关等。软件可定义由控制器通过物理方式连接的电器和传感器，在手机App上进行定义设置。家庭网关具有可视化界面，可显示传感器实时数据和家用电器开关状态，同时可在网关界面上控制家用电器。

2 控制台的设计

控制台采用Philips公司生产的LPC2132作为CPU， LPC2132具有片内8 KB RAM和片内64 KB的程序Flash，具有2个串口，多个I2C和SPI接口，还拥有64个管脚。控制器通过COM0与家庭网关连接，COM1通过串口转换器转换成RS 485，再通过RS 485总线与传感器连接。控制器向上统一采用Modbus规约，向下的规约可能会因为传感器的不同而不同，需要再定义。家庭网关与云平台的通讯采用TCP Socket，统一采用Modbus规约。

2.1 通讯规约

控制台上行通讯采用Modbus规约，便于网关的实时采集，同时也保证了系统的可靠性。Modbus规约帧格式见表1所列， 功能码见表2所列。由于将传感器作为寄存器，故定义为多路寄存器，在设计中通过功能码10实现对传感器数据的采集。

2.2 传感器和控制面板

传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节，在系统中被作为一次定位，其主要特征是能准确传递和检测出某一形态信息，并将其转换成另一种形态信息。在智能家居系统中，传感器信息包括PM2.5、CO2、甲醛等，控制台中实时采集和保存传感器信息，用户足不出户便可知道家中的环境状态。控制面板是一个智能开关，相当于一个传感器，可通过命令实现状态采集和远程控制等。

3 家庭网关的设计

家庭网关基于Android操作系统，具备多个串口和一个无线WiFi网口。串口与控制台相联，WiFi无线网口与互聯网相联，通过软件技术完成网关通讯的功能。从而在家庭内部各种家电信息共享的基础上，进一步实现了基于Internet的资源共享，在加深共享深度的同时扩宽了网络广度，这将是软件可定义智能家居系统发展的重点。家庭网关主要具有家电控制、传感器信息共享等功能。

3.1 实时监测界面

当传感模块传来的数据超出设定值范围时会变成红色。当处于红色状态时，由于网关实时监控，因此会发出报警，提醒家庭用户。实时监测界面如图2所示。

3.2 智能控制界面

通过家电控制单元，用户可打开和关闭特定家电，从而实现对家电的控制，且该模块会通过互联网络传入移动客户端手机App上，方便用户远程实时了解家电的开关状态。智能控制界面如图3所示。

4 手机App软件的设计

4.1 软件可定义功能

4.1.1 背景可定义

该功能不同于传统的智能家居，由于家家户户的布置和样式都不一样，因此手机应用十分个性化，所以在App软件中需实现背景的可定义。可通过拍照将自家房间做为软件背景，直接模拟家庭样式，效果更直观。大厅控制界面如图4所示。

4.1.2 家电位置可定义endprint

不同家庭的家电位置不一样，也可移动，比如电视机之前安装在南墙上，而现在移动到了北墙上，所以需要通过软件自定义家电的位置。无论家中因为装修或其他原因需要改变家电位置，都可以通过软件实现家电位置的定义，家电位置如图5所示。

4.1.3 房间可定义

不同家庭户型不一样，我们可设置房间个数和房间名，如图6所示。设置完成后界面显示如图7所示。

4.1.4 家电可定义

传统的智能家居若新增或改动设备十分困难，需要从软件修改方面入手，而文中设计的软件可定义智能家居系统只需用户动动手指就能在上面增加或修改，实现了家电管理的可定义。设置界面如图8所示，客厅节点（相当于电器）显示界面如图9所示。

4.1.5 组合开关可定义

若用户想同时开关两个、三个或者更多设备时，只需要创建组合控制即可，实现了组合开关的可定义。

4.1.6 信息状态同步的可定义

家里的家电运行状态可以同步到移动客户端，方便用户实时了解家电的状态。

4.2 软件流程

手机App流程如图10所示。

5 云平台设计

云平台是一套基于J2EE开发的服务器系统，布置在阿里云上，采用MySQL数据库，客户端手机App与服务器通过HTTP请求JSON格式通讯。这种结构将大量数据存储在数据库服务器中，使得开发、维护等几乎所有工作都集中在服务器端，可有效保护数据平台、管理访问权限和服务器数据。在TCP/IP协议网络应用中，通常进程间的通信采用客户/服务器模式（Client/Server Model），所以本系统也采用这种模式实现服务器和手机客户端的数据交互。本系统服务器的整体架构如图11所示。

6 系统主要特点

（1）系统采用的通信技术包括有线通信和无线通信，可根据家庭情况而定，新装修的家庭建议采用有线通信，重新改造的家庭建议采用无线通信，系统中可定义这两种方式。由于其具有低成本、低功耗、较远的覆盖范围及通用性强等特点，因此必将成为智能家居系统中的一个亮点，同时也将为现代智能家居系统带来一场新的变革。

（2）系统采用嵌入式网关技术，家庭网关具有本地服务功能，移动终端可连接网关实现数据采集和共享功能，移动终端也可通过云平台实现对设备的控制、检测、判定（判断传感器上的数值是否超过限定安全数值）等功能。

（3）系统采用软件可定义技术，通过Android系统来定义智能终端软件，也可根据用户需求定义功能、界面等。其拥有可扩展性强、界面清楚、方便控制、使用简单等特点，而这也是软件可定义智能家居系统独有的功能。

7 结 语

本系统不仅改进了传统智能家居中存在的安装、维护困难等缺憾，同时还实现了产品的个性化。该系统主要通过软件可定义实现对家居界面个性化和家电信息的控制，并可实时返回信息。无论用户身在何处都可随时随地了解家中家电的开关情况。系统能够实时精确的将传感器数据返回到手机应用上，一旦超过预期所设的数据将会发出报警。本系统在安全方面和报警方面已基本完善，具有成本低、维护和扩展简便、易操作等优点。

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