智能家居系统在远程命令控制下的数据分递及硬件支持

侯继强 柴功昊

摘 要：随着物联网技术的快速发展，智能家居越来越多地出现在人们的生活中，给人们带来了极大的便利。通过远程遥控就能完成电器开关、家庭安防、环境监控等一系列操作。文章从远程命令控制的角度出发，细化讨论实现命令的数据流及合理的硬件支持。

关键词：智能家居系统；数据流；硬件支持

1 智能家居系統的定义及主要模式

智能家居系统是以住宅为平台，通过物联网技术将家中的各种设备连接到一起，实现智能化的一种生态系统。智能家居系统利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。

（1）中央控制模式主要是通过一个中央微处理机来接收其他电子电器的信息，再将这些信息反馈给用户。而用户也需要通过中央微处理机发出指令来操控其他电子电器。早期的中央控制模式通过整体线网连接所用的电子电器，不具备远程命令的功能。当中央微处理机PC端接入因特网后，可通过网络进行远程控制。随着无线联网技术的发展，成本高，效率低，不易升级改造的中央控制模式逐渐被替代，它将作为家庭网络中的控制部分在智能家居中发挥作用。

（2）智能家电模式是在家庭网络系统上发展起来的。数字化、智能化、网络化的信息家电取代原有的传统家电，每一个智能家电都是一个独立的具有网络连接功能的单元，同时可以和用户双向交互。带有嵌入式处理器的智能家电具有一定的信息处理能力，收集的信息可以汇总到控制中心，也可以直接发送给用户。去中心化的结构减少了电器之间信息交换的环节，同时提高了系统整体的健壮性，即使控制中心出现故障，每个单元都保留着用户的信息，整个系统依然可以运转。模块化的布局更方便升级迁移，是未来的发展趋势。

2 智能家居系统的子系统及主流技术

智能家居系统包含的主要子系统有：中央控制管理系统、家居照明系统、家庭安防系统、家庭网络系统、家居布线系统、背景音乐系统、家庭影院多媒体系统、家庭环境控制系统。

（1）总线技术是智能家居系统中主流的有线网络连接技术。典型的总线技术采用双绞线总线结构，各网络节点可以从总线上获得供电，同时通过总线实现节点间无极性、无拓扑逻辑限制的互连和通信。总线技术类产品比较适合于楼宇智能化以及小区智能化等大范围控制，但安装比较复杂，成本较高，工期较长。

①RS-485是一种采用半双工通信方式的长距离串行总线，用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。单条通道的最大节点数为32，传输距离较近，可靠性较差，传输速率低，但其电气电路设计简单，实现方便，易于维护。

②CAN总线技术通过对通信数据块进行编码代替了传统的站地址编码，可使不同节点同时收到相同数据，这一功能支持分布式网络结构[1]。CAN总线与RS-485具有相同的缺陷，不能连接树状总线，只能作为大系统的分支连线。

③LongWorks总线技术采用ISO/OSI七层模型的通信协议和面向对象的设计方法，通过分布式的Neuron神经元芯片从而实现无须主控的神经网络。每个节点都是一个神经元，这些神经元连接到一起就能协同工作。

（2）在智能家居系统中应用的无线通信技术，其本质和有线技术一样，只是传递数据的媒介不同。无线技术的主要优势在于无需重新布线，安装方便灵活，而且可以根据需求随时扩展或改装。随着新的无线技术的快速发展，原来制约着无线技术的频段干扰问题，信号阻隔问题，设备功耗问题都得到极大的改善，使得无线技术的适用环境更为广泛。

①ZigBee技术是一种低复杂度、低成本、能够长时间工作的双向无线通信技术，具有强大的自组网功能。应用于近距离、低功耗、低传输的电子设备数据传输之中以及周期性数据、间歇性数据、低反应时间数据的传输。

②Z-Wave技术是一种基于射频技术采用无线网状互联的多点通信技术，因此，任何节点都能直接或间接地和通信范围内的其他节点通信，其信号的有效范围是室内30 m，室外超过100 m，比ZigBee的传输距离更远。

③WiFi是基于无线局域网的一个通常在2.4 GHz ISM频段上工作的技术。通过有线网络外接一个无线路由器，就可以把有线信号转换成WiFi信号。其网络的安全性一般，设备的功耗高。

3 远程命令控制下各子系统的数据分递及硬件支持

（1）中央控制管理系统是智能家居系统的核心。现在越来越多的信息处理需求使得中控系统不仅要集成下级系统的管理模块，还要作为智能家居服务体系的前端，一方面接受云端数据库的支持，一方面接受用户的指令。当用户发出远程命令时，无论是通过移动端还是PC端，有线连接还是无线连接，都是中控系统先接收命令再将命令发送给具体的功能模块。如果用户只想命令某个部件而不经过中控，需要该部件具备信号调制解调和网络地址选择的功能模块，这样做有些得不偿失。因为在智能家居服务体系中，远程命令的目标地址是由服务商在本地局域网里根据中控机分配的，也就是说用户的远程命令一定会经过中控再发送给目标。

现在智能家电的智能程度越来越高，能够不依靠中控通过电器之间的互相连接，互相识别协同工作，一方面提高了安全性，一方面降低了安全性。提高了中控系统故障时，整体依然能保持工作状态的稳定安全性，但却降低了智能家居系统的信息安全性。因为智能化的协同工作必然要求各电器之间可以互相识别，就需要储存相应的识别信息。如果某个部件的信息泄露，可能会对整个系统造成破坏。而中控可以将命令具体化，针对每个部件发出对应的命令并接受部件的反馈，调节协同工作的操作过程。这样既减少了智能电器需要储存的识别信息，同时也减少了实现命令的策略信息。

基于上面这两点，中控系统仍是智能家居系统不可缺少的部分。在家庭网络的基础上，中控系统控制管理其他子系统，为了在中控系统升级或维修时其他系统仍能工作，中控系统应独立出一个网络连接模块用于家庭网络和云端服务器的连接。这样服务器上备份的中控就可以代替家庭中控进行工作，而用户的远程命令则直接发送给云端服务器，经过分析处理由独立的网络连接模块传输给家庭网络上的目标。所以，一个合理的中央控制管理系统需要服务商的服务器，独立的网络连接模块，家庭内的可视化中控机，基于ARM的嵌入式微处理机并搭载了操作系统，方便用户管理，进行个性化设定[2]。

（2）从远程命令的实现来看，只有完成了家庭网络系统和家居布线系统的构建，才能组成完整的智能家居系统。这里的家庭网络系统不能代表整个家庭网络，只表示用于智能家居服务的有线和无线网络。家居布线系统亦然，只是没有无线的部分。这两个系统可以合并讨论，不管是新装用户还是改造用户，良好的远程控制功能都是智能家居系统的合格标准。以中控系统为核心的总线技术减少了远程命令在室内各电器间协同工作的数据传输环节，电器间发送的数据信号通过双工通信的总线传输给对方，而不用像星型拓扑结构那样必须经过中控[3]。

在家庭网络系统中有线网络与无线网络的关系有这样两种情况：①入户的网线首先连接中控机，再从总线接无线路由器，无线网络基于有线并受到中控的控制。②入户的网线首先连接无线路由器，再连接中控机，相当于将整个家庭网络分为独立的两个部分，即中控控制总线网络，无线路由器控制无线网络。当然中控可以通过网线获得无线路由器的信息，管理无线路由器，但此时的无线网络不基于中控总线，这为远程命令的实现提供了第二条路径，即公共通信网络—服务商局域网—家庭无线网。

（3）家居照明系统和家庭安防系统是智能家居系统的重要部分，缺少哪一个部分都不构成智能家居系统。远程命令在照明系统中主要是生活用灯的开关，包括智能灯的效果变化。用户发出的命令经过中控传给照明系统的控制器，控制照明电路电流电压变化。而操作结果是否完成则由控制器经中控发送给用户。双向的数据通信是远程命令数据流的一般形式。安防系统同样遵循双向的数据通信，但其有特殊的要求，例如监控系统长时间稳定传输的要求，门禁系统密钥生成的要求，防盗系统自动报警的要求。

从其他系统中分离出来的照明系统由两部分组成，一部分是智能灯具，可以识别中控命令自动控制开关。一部分是电气灯具，需要使用控制模块进行控制，现在主流的控制模块大都是智能插座插排的形式。对整体电路进行改造，集合控制权于中控的设计流行在无线技术不成熟时，现在智能化的趋势越来越明显。安防系统按范围划分也有两部分：公共区域的安防和私有区域的安防。对于私有安防之重的监控系统是否要具备设备独立性这个问题，可以从实际出发解决。中控系统具有监控模块的功能，即储存发送音视频，只要连接有相应的监视器传感器，用户可以实时通过中控远程查看情况，就无须为监控系统添加其他设备。真正要增加设备独立性的是门禁系统，要做到用户的远程命令可以直接发送给智能门，就需要门禁局域网和智能门的网络模块。

4 结语

本文从远程命令控制的角度出发，讨论了智能家居系统实现命令的数据流程及合理的硬件支持。智能家居系统的发展潜力巨大，尤其是无线技术的快速发展给通信方式带来了新的变革。无论我们置身何处，都能轻松地了解家中的情况，改变电器的状态。智能家电会越来越聪明，中央控制系统的数据处理功能会逐渐归于这些智能家电，每一个智能家电都将集成数种功能。综合化小型化是智能家电的发展方向，也是智能家居系统的发展方向。

[参考文献]

[1]周游，方滨，王普.基于ZigBee技术的智能家居无线网络系统[J].電子技术应用，2005（9）：41-44.

[2]李鸿.几种智能家居网络控制系统方案的分析与比较[J].现代电子技术，2010（3）：143-146.

[3]吴文忠，李万磊.基于ARM和ZigBee的智能家居系统[J].计算机工程与设计，2011（6）：1987-1990.