基于模块化的智能家居系统设计

王荣　陈虹君

摘要：针对目前市场对智能家居需求的不断增加，以及智能家居市场所面临的造价高、标准不统一等现状。介绍了模块化设计在智能家居中的设计思路，以及利用模块化设计解决上述的智能家居市场所面临的现状。采用无线通信技术作为智能家居之间的命令传输方式。探讨了智能家居面临的网络安全问题的解决方案。以中央控制系统、安防、无线控制、网络以及环境控制五大模块为主体打造用户可自主设计，可裁剪式的智能家居系统。

关键词：模块化设计;智能家居;无线通信;控制系统;网络安全

中图分类号：TP273文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）01-0205-03

Abstract：In view of the increasing demand for smart home in the market， as well as the high cost and inconsistent standards faced by the smart home market. This paper introduces the design ideas of modular design in smart home， and the current situation of using modular design to solve the above-mentioned smart home market. Wireless communication technology is used as the command transmission mode between smart home. This paper discusses the solutions to the network security problems faced by smart home. The system can be controlled by the central control system.

Key words： modular design; smart home; wireless communication;control system; network security

1引言

智能家居可以極大地方便人们的生活以及提升居家体验，自1984年美国出现第一栋“智能型”建筑以来，智能家居的各种设计方案以及技术便不断发展并完善。但随着行业规模的不断增大以及智能家居应用越来越普遍，潜在的问题便不断暴露出来，比如：行业标准并未统一;相对于传统家居造价昂贵不能被大众普遍应用;还有自网络发展之初便面临的网络安全问题。

模块化设计是实施大批量定制生产的关键技术。[4]该设计方案利用模块化设计的可裁剪性，使得用户得以根据自己的需求增加或删减功能模块，使系统更适合用户的同时降低成本。用户在外可通过网络共享存储模块实时在便携式网络设备上了解家庭情况;居家时可享受环境控制模块给用户带来的舒适体验。

该设计方案还探讨了智能家居面临越来越复杂的网络安全问题的解决方案，希望为解决网络安全问题提供新的思路。

2模块化设计

该设计将智能家居分为中央处理系统、安防模块、无线通信模块、网络共享存储模块、居家环境控制模块[1]，模块化设计可以使智能家居的打造更简单，在提高用户体验的同时更大程度的节约成本。整个系统分为几大模块，用户可以根据自己的意愿和兴趣爱好实现智能家居个性化设计。所有智能家具都可以更具用户的需求进行搭配，在保证模块化框架系统的完整性，将可以实现可裁剪式安装。通过及时更换淘汰落伍的模块将可以最大限度地在保障用户体验的前提下拥有最大的寿命。

中央处理系统（下文简称为“系统”）可看作是所有本公司智能家具（下文简称“智能家具”）的大脑，当有智能家居系统存在时。所有智能家具将不再独立运算分析，而是将所有参数传输到系统中，由系统综合各家具的运行情况做同一的指令操作。并且实时监控智能家具的使用情况和是否出现故障。如果出现故障则第一时间将故障情况发送到用户手机中，再请求用户是否维修。用户对所有智能家具和系统的使用和操作权限高于操作系统，操作系统是服务于用户的工具，在用户不对各智能家具做出指令时由系统统一调配。

各个模块有自己独立的子系统（处理中心），采用分布式布局，中央系统控制子系统，子系统再控制各个模块下所属的智能家具，分级管理来应对各种系统故障。即使子系统出现故障，也不会引起智能家具的停用只会影响一些智能功能的用户体验。

2.1各模块系统功能

2.1.1中央处理系统

中央处理系统是整个家居系统信息交互的中心，可以实现对各个功能模块的管路的配置，可以实现对其他四个子模块的信息采集、显示和反馈给用户。中央处理系统安装有触屏显示设备、语语音控制系统，并且可以通过相应的App用网络实现对各个功能模块的信息获取和控制，实现人机交互。还可通过机器学习算法学习用户的生活习惯，进行自动开关窗帘，调节空调温度等简单操作。

2.1.2安防模块

随着人们生活基本需求的提升和信息科技的高速发展，居家安全目前越来越被重视。人们越来越关注自身和财产的安全;同时社会节奏越来越快，一旦出现安防问题，将打乱人们的生活节奏，因此防患于未然是重中之重。目前无线网络发展越来越快，5G推广使用，为远程安防监控提供了足够的技术支持。无线终端设备的普及，使得远程访问更加便利，可以实时查看家中的闭路视频、可视对讲设备;各种物联网传感器如红外传感器、烟雾报警器、门磁传感器也可通过蓝牙、Wi-Fi、ZigBee等无线传输网络实时向系统汇报监测情况[2]。

2.1.3无线通信模块

无线遥控在生活中有广泛的应用，并且功能已经可以满足大多数生活的需要，并且成本较低。但是如果全部的家电都用无线遥控来控制的话，使用过程中十分容易混淆，导致命令传输出错。而有线传输网络通用性不强、布线复杂而且容易被破坏而引起系统故障，不太符合智能家居的人性化原则。[7]因此无线通信模块可在各个智能模块之间搭建无线传输网络，如使用IEEE802.15协议工作，在全球通用的2.4GHz ISM频段的蓝牙;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的ZigBee网络;创建于IEEE 802.11标准的WI-FI技术等。[6]降低屋内各智能家居交互的成本提高传输效率，还可以通过无线网络联通用户的无线终端设备，使得用户可以远程控制，提高居家的便捷性和舒适性。

2.1.4网络共享存储模块

随着智能家居运行时间的增加，所带来的数据增长也是一个不容忽视的问题，还要对数据进行存储和备份，以及支持无线查看，并且居家网络共享模块显然不能安装专业的网络服务器，那成本将大大增加。网络共享储存模块NAS 能够支持多种协议（如NFS、CIFS、FTP、HTTP等），而且能够支持各种操作系统，可提供跨平台文件共享功能[2]。家庭网络存储NAS集中储存多媒体数据，用户通过智能手机、网络播放器、计算机等媒体播放设备，实现对家庭多媒体的访问。[3]并且可以远程操控家居，比如提前打开空调，提前在浴缸中放满热水等。

2.1.5居家环境控制模块

目前大城市的环境空气质量随着经济的发展不断降低，家作为一个日常生活起居的地方，保证健康舒适的居家环境是必不可少的。居家环境控制模块可以通过WIFI 无线开关来实现电路的闭合和断开，来实现空气净化器，空调，门窗的远程和智能控制。还可以实现对盆栽的自动浇灌和宠物的自动喂养等[2]。

3遭遇网络攻击解决方案

智能家居目前发展遇到的一大瓶颈就是网络安全性难以保障。如果家中智能家居被人为恶意操控，将带来十分可怕的结果。该设计提出以下解决方案：

操作系统与家中所有电脑等具有独立运算的设备独立，自主运算以及控制所有智能家具，以保护系统的安全。系统对于连接的便携式网络设备采用MAC地址认证。[5]系统的防火墙24小时向公安网络安全部门反馈安全状况，防火墙所传输的信息只包含系统的网络安全信息，不会侵犯任何用户的隐私信息。当系统检测到防火墙遭到攻击时将立即启用备份于云服务器中的云杀毒软件，通过网络传输到系统中。在防火墙检测到云杀毒软件暂时无法抵御本次网络攻击时，将立即断开系统多所有智能家具的控制并且将操作权限全权移交给用户，并且提示用户系统遭到攻击请立即报警。

在系统正常运行的情况下，所有智能家具不再连接网络，以保证不受网络攻击。当无系统状态下，家具通过WI-FI连接至用户手机，以用户手机控制完成智能运行。未连接到用户手机时，将以普通家具的形式完成基本功能。在系统遭受攻击并且瘫痪断开所有对智能家具控制时，不接受电子指令，只接受按键指令。并且在有条件情况下进行身份验证。

当系统遭到网络攻击瘫痪但又后期被云杀毒软件清理病毒后，将进行系统自检，检查其功能是否遭到病毒的破坏，若自检系统无法运行，将直接汇报系统损坏。若自检没有出现问题，则用过网络密钥认证智能家具并且对各智能家具进行检测，检测无误后开始重新运行。

若自检出现问题则请求重装系统，或请求用户预约工程师上门检测，最大程度上保护用户的安全。

4结语

本文设计的模块化智能家居系统针对现有智能家居的一些不足做出了一些改进，用户可根据自身喜好裁剪智能家居模块以达到降低成本的目的，以及方便用户对于智能家居控制的体验，对于延长智能家居的使用寿命有一定的作用。并且对于网络安全问题提出了新的解决方案，对实际应用提供了新的部署思路。但该设计对室内智能家居无线通信技术的选择以及各技术在实际应用中具體情况上缺少相关的实验数据，将在未来的实验中加以补充。

模块化设计智能家居系统其独特的可裁剪性将会成为未来智能家居系统设计的一大趋势，在下一步研究中将加入云计算为中央处理系统增加算力，有强大的算力支持，该设计将对智能家居的发展产生强大的推动作用。

参考文献：

[1]徐志煜，吴华锋.智能家具模块化设计分析[J].计算机产品与流通，2019（12）：128.

[2] 刘勇.智能家居的模块化设计探析[J].电脑与电信，2017（9）：46-48.

[3] 郝佳琦，胡云生，谢雅丽.基于模块化的智能扩展云监控系统[J].电子技术与软件工程，2018（9）：242-243.

[4]高飞，肖刚，潘双夏，陈久军，张元鸣.产品功能模块划分方法[J].机械工程学报，2007（5）：29-35.

[5] 杨海川.基于物联网的智能家居安防系统设计与实现[D].上海：上海交通大学，2013.

[6] 程家豪.物联网中无线通信技术应用分析[J].物联网技术，2020，10（8）：94-97.

[7] 张敏洁.短距离无线通信技术在智能家居中的应用探究[J].信息与电脑，2020，32（8）：156-158.

【通联编辑：梁书】