一种基于远程控制的智能家居设计与实现方案

段志雄　田新志　杨乐　薛宇航

摘要：目前电子智能家居市场多以大中型物联网公司为主要设备生产商，但是其产品线大而多，且主要围绕近场WiFi或近距离物联网通信进行产品开发，实现智能家居远程控制的成熟产品也不多，本文以树莓派为主控服务器，单片机为主控件，继电器为辅控件，设计了一款具有短信、手机app及语音等远程控制物联网设备的智能家居设备。该设计操作便捷、成本低廉，具有较强的实用性和市场价值。

关键词：远程控制；智能家居

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）18-0163-03

1 引言

伴随着计算机技术、通信技术的发展，智能控制技术、智能生活也呈现出强劲的发展势头，人们的生活方式、生活追求也在发生着翻天覆地的变化。在这个对个性化、自动化、快节奏、充满乐趣的生活方式的追求下。人们对家居生活的品质要求也越来越高，主要表现在居住环境舒适化、家居生活安全化，家居生活人性化、家居产品的智能化等方面。目前我国人们的生活水平得到了极大的改善，人们对生活的追求也发生了很大的变化，因此智能家居市场在我国潜藏着巨大商机。房地产业蓬勃发展，房地产商为了提升自己的品牌效应，提高业主的认可度，在小区智能化建设方面也投入了大量的人力物力，再配合智能家居，这种“全智能”概念的提出，也将给我国房地产业带来新的机遇，从另一方面来说，也意味着，智能家居产业在我国将迎来新的发展契机。

特别是近些年来，在我国经济持续快速增长的情况下，富有人群也越来越多，因此别墅和高档公寓的销售市场也大规模增长，房地产开发商在智能化方面投入了大量的资金支持。这都为智能家居市场的发展提供了有力的动力基础。自2016年以来，全球范围内有关信息技术的创新持续加速，从而导致了信息领域新产品、新服务、新业态的大量涌现，持续激发新的消费需求，成为日益活跃的消费热点。我国市场规模庞大，正处于居民消费升级和信息化、工业化、城镇化、农业现代化加快融合发展的阶段，信息消费具有良好发展基础和巨大发展潜力。 针对以上需求，本文设计了一种远程控制的智能家居系统；该系统以树莓派，手机和单片机为主体，并搭载基站，传感器等设备，系统的主要功能包括以下几个方面：

1） 家居环境信息监测：通过单片机系统采集环境数据，反馈至客户；

2） 终端设备控制：通过app控制单片机设备的继电器模块，通断线路；

3） 家居设施调控：根据实时环境数据配合其他设备调控家居设施的工作状态，达到节能、舒适的目的。

2 系统架构

基于远程控制的智能家居属于新型物联网设计系统范畴。其主要功能为让居家设施在同一局域网下通过手机app，或在不同网络下，通过手机发送短信指令在室内控制继电器模块或智能家电，并调节温度阈值以营造适合的家居温度，外出办公时，通过树莓派作为远程服务器并绑定设备MAC和IP地址，实现使用蜂窝网络控制远程化操作，可随时随地查看房屋情况，为居民的生活提供极大的方便。硬件采用APP-服务器-设备的拓扑结构，其系统拓扑如图1所示。

3 系统设计

远控智能家居主要利用现代成熟的物联网技术，将“客户端+服务器+终端“架构模式组合而成，其系统架构框图如图2所示。利用树莓派，云服务器，终端硬件等组成物理链路，具有远程操控智能家电，检测家居健康指数的云家居物联服务的功能。

远控系统通过传感器、网关、基站获取传感器感知的环境信息（如温度、光度等环境信息），系统之后将反馈的信息解析传送至用户界面，根据反馈的信息系统配合其他智能硬件调控照明等设施工作，若有异常情况，系统推送预警信息至用户。

3.1远程控制设计

近场通讯一般是创建内部局域网，通过局域网通信实现数据交换和指令实现，一般适用于办公和家居等场所，但是局域网通信有地域限制，超过信号覆盖范围便不能与其他设备进行通信，尤其是阻碍物较多的地方通信效果更差，而且需要投入更多的硬件。远控系统利用成熟的远控技术，结合运营商架设的无线基站，大大节省人力物力投资，只需支付一部分的服务费；本系统设计以“无线模块+单片机”作为整个系统的指令处理核心。用手机和WiFi模块作用户控制端，用树莓派作网关，STC89C52单片机作数据处理模块，组合实现智能家居的远程控制。电路原理图如图3所示，打开手机app连接互联网，当触发开灯按钮时，数据通过网络转发给网关，网关再将数据通过WiFi-串口的TX，RX引脚发送给单片机解析处理，解析的数据值赋给单片机不同的回路，继而实现不同的指令功能。如：点击开灯，数据指令就通过网关发送给单片机00110001的指令，引脚位置1，电路连通，引脚位置0，电路断开。

3.2传感器设计

传感器设计的主要实现内容是家居环境数据的智能监测。本系统设计有温度，湿度和光照传感器，这些元件通过单片机的引脚将数据发送给互联网的节点，最后呈现给用户。系统检测到温度达到某阈值（如19摄氏度），则连通温度控制器将室温降至或升高到宜居的室温；室内光照若是超过临界值，则系统自动切换至关闭模式或者另一个光强较弱的模式；室内环境湿度若是超过临界值，则系统自动切换至关闭模式或者另一个光强较弱的工作模式。

在系统终端设备上，传感器所采集的信息通过单片机将数据提交给CPU进行处理，之后将采集到的温湿度，光感信息提交至云服务器主机后台，再将数据进行判斷比对控制继电器的限位开关控制家电。

3.3GSM指令模块设计

信息指令实现的主要功能是进行关于智能家居系统的信息推送功能。其应用背景是，在智能家电中，传感器探测到有一些异常事件需要处理，则以通过短信方式通知户主这一方法就显得尤为重要，以便户主及时跟进处理可能的危急情况。

短信通知模块是整个设计系统中的小分支，GSM-Modem作为系统设计的一部分，一切均由中央控制器控制，中央控制器在智能家居中负责处理各类数据，其他的外围设备，传感器网络和 GSM-Modem 短信通知设备都是通过连接中央服务器完成的。GSM-Modem 通过 GSM网络传送数据到户主的移动设备端。短信推送模块工作过程是在中央控制器检测到传感器（例如家居系统的温度传感器和光感传感器）的一些信息后，中央控制器进行判断（比如根据温度数据判断是否室内温度过高或过低），然后中央控制器通过socket通信调用API驱动短信模块，实现短信模块自动发送短信至用户的移动设备[3]。

4 系统核心模块实现

4.1 基于远程通信的系统实现

远程通信实现的主要功能是远程化控制家电，实现“人走物可控”的功能需求。系统采用传统的TCP/IP协议作为传输控制层链路，结合无线基站，服务器和网关组合为物联网远控系统。用户通过HTTP端口与云服务器主机建立TCP连接，服务器连接设备网关控制硬件[1]。系统利用API，客户端发送“开灯”请求指令，服务器接收到数据流后响应请求将响应信息发送至网关，网关再连接局域网控制家庭终端 ，终端最后将反馈信息通过此链路在客户端显示结果。

4.2短信通知服务模块实现

短信通知主要是为了对系统异常处理的短信通知功能。在现代的家居生活中，当传感器设备检测到异常情况，则系统可通过短信方式通知使用者，以便户主及时处理危险事件。具体模块设计框图如图4所示。

短信通过GSM网络发送给用户的手机，而短信模块通知服务的推送是使用 GSM-MODEM 的AT命令来实现的。处理设备将短信文本信息（中文）以特定的格式进行短信编码转换为数据，建立从ARM板到GSM-MODEM的通信链路（使用串口通信实现），然后将AT命令通过该通信鏈路（串口）进行发送，AT命令中将短信编码的数据进行传输，最终驱动GSM-MODEM进行短信的发送[2]。

4.3 WiFi-串口通信设计

串口通讯主要是为了解决WiFi与单片机的通信问题，真正意义上实现载波信号转化为数字信号。WIFI模块和单片机的通讯主要利用了wifi模块的串口（VCC 、RX、TX、GND），wifi模块将串口转化成无线wifi信号，反之，串口可将WiFi信号转化成单片机能识别的机器指令。WiFi模块通过TX，RX引脚将WiFi载波信号通过串口转换成只有0和1的二进制数据，之后将二进制数据提交给单片机的CPU进行处理，进而获得指令信息，指令赋0，1值给单片机引脚，之后触发电子元件工作，控制继电器模块实现高电平通路，低电平断路的功能。

5 软件设计流程

软件设计流程是为了能辅助开发者更好地实现客户的需求，实现开发效益最大化。用户可通过手机app进入该软件界面，初次使用用户需要注册账号和联网进行信息初始化。具体软件设计流程如图5所示。

在app执行按钮操作后，若设备未联网，则app请求联网操作触发通信；若网络连通，按钮将点击事件通过局域网或公共网络提交给服务器网关，网关再将数据通过无线模块，即WiFi-串口转发给单片机芯片存储执行，进而实现控制家居智能设备。

6 结束语

本设计是为方便家居远程操作而设计的，具有监测，操控一体化功能 ，利用现有的成熟技术实现新的功能，具有一定的市场前瞻性。系统具有如下功能：

（1） 远程指令控制：将APP的分路控制按钮指令通过云服务器发送给网关进行存储，树莓派再将指令通过串口提交给单片机处理信息实现指令控制；

（2） 实时家居环境监测：软件通过互联网实时监测家居健康状况，根据所反馈的温湿度和光照强度等数据配合其他智能硬件进行智能硬件的环境数据调控；

（3） 恒温控制：通过温度控制器结合终端硬件调控卧室，客厅空调或水暖的温度，达到人体感受的舒适温度，只需设定阈值，便保持在这个温度。

参考文献：

[1] 高春华，蒋浩，葛星，等.一种支持Internet远控的智能家居监控系统的设计与实现[J].和谐人机环境联合，2011

[2] 单立娟.一种智能家居远程网络监控系统的设计与实现[J].电脑迷，2017（3）：81-82.

[3] 余臻.基于AT指令集的远程通信的实现[J].厦门大学学报（自然版），2004，43（2）：166-169.

[4] 徐永新，陆宝春.利用Winsock通信实现远程通信[J].计算机应用研究，2003，20（1）：159-160.