基于物联网的智能家居控制系统设计与实现

吕晓梅

（茂名职业技术学院，广东 茂名 525000）

1 智能家居的概念

广义上的智能家居就是通过物联网技术实现连接的家居设备系统。随着当前社会城镇化、智能化、数据化的不断发展，智能家居将成为家居生活的重点发展方向，也将在一定程度上改变人们的生活习惯和方式。目前阶段，国外比较流行的智能家居品牌有亚马逊Alexa、苹果HomeKit、Control4、三星SmartThings；国内比较流行的智能家居品牌有小米智能家居、华为智能家居、海尔智能家居、美的智能家居、紫光物联、扬子智能家居、智飞智能家居等。

衡量一个智能家居系统是否成功，并不单纯在于智能化系统的先进性、应用数量以及集成程度，更取决于整体家居控制系统的设计与配置是否能正常运行且经济合理。因此，在进行物联网智能家居控制系统设计的过程中，不仅要充分了解用户对智能家居的功能需求，还要依照国家和地方相关标准进行系统设计与功能拓展[1]。

2 整体方案

本方案以相对经济实用的Arduino UNO 开发板为主控制器；借助多类型传感器实现对家居环境相关数据信息的采集；以显示器、舵机、继电器等为执行单位，实现门禁、窗帘、灯光、家电等设备控制；借助ESP8266 Wi-Fi 模块和巴法云物联网平台实现数据传递和交互；用户借助手机App 直接就能远程控制智能家居。

借助多种传感技术和物联网平台，智能家居控制系统可以智能实现家居环境中关于温度、湿度、光照、烟雾、人体红外线等数据信息的采集，结合数据分析和智能“语言”控制灯光、舵机以及继电器设备，实现自动开锁、自动解除门禁；智能窗帘、智能晾衣架、智能空调、电视、热水器、灯光、温湿度自动显示、烟雾报警等能满足用户的实际需求。手机联网之后，借助巴法云物联网云服务器实现数据同步，远程操作即可实现。要达到一种状态：用户通过远程控制提前对家居设备实现操作，到达门口，门禁通过射频识别已打开，进入房间，智能空调已经将室内温湿度调整到最佳状态，灯光柔和，室内烟雾触达一定标准，报警器自动报警，提示用户，及时消除安全隐患。智能家居控制系统的总设计方案如图1 所示，整体智能家居控制系统方案要靠硬件和软件系统实现[2]。

图1 智能家居控制系统总设计方案

3 硬件系统设计与实现

方案中的硬件系统包含环境检测与显示版块、智能门禁版块、智能灯光版块、智能家电版块、智能窗帘版块、烟雾检测与报警版块、无线控制版块等。

3.1 通信功能设计

通信是通过各节点与网关实现联系，使用ZigBee实现。一定程度上，通信功能是智能家居控制系统最重点的功能之一。通信的稳定性直接关系智能家居系统远程自动控制能否正常实现。应用ZigBee 技术最大的优点是对外界环境的抗干扰能力非常强。同时，ZigBee 技术还能最大程度实现数据传输和存储，既能有效避免数据丢失，保证数据传输完整性，又能以最快速度实现数据传输，保证数据时效。

3.2 采集功能设计

（1）信息检测与显示。借助DHT11 温湿度转换器和发光二极管（Light Emitting Diode，LED）显示屏实现，其中温湿度转换器进行家居环境信息数据的采集和传输，借助集成芯片实现显示屏的实时控制。

（2）智能窗帘。利用光感电阻传感器和舵机采集光照信息，当光照信息到达提前设定好的阙值，舵机自动操作，实现窗帘的智能控制。

（3）智能灯光。使用HC-SR505 人体红外线传感器和光敏电阻传感器采集光线信息，结合提前设置好的阙值对光线强弱进行智能判断，自动控制灯光开关。

（4）智能家电。主要借助的硬件设备是继电器、LED 显示屏和DS1302 时钟。将手机App 的时间与DS1302 时钟进行时间校准，用户在手机App 中对家电的使用时间、使用时长进行提前设定，当具体家电到达启用时间，自动启用，到达使用时长自动关闭。例如，用户在手机上直接就可以设定18:00 开启室内空调，温度选择26 ℃，开启时间为3 h，到家之后直接可以享受适宜的室内温度[3]。

（5）烟雾检测与报警。烟雾检测使用的是MQ-2 烟雾传感器，自动收集烟雾信息，测试室内烟雾含量。当室内烟雾含量到达或超过标准阙值，自动触发报警系统报警。物联网和云平台又可以将相关信息实时传输给用户，让用户及时了解家居环境的烟雾情况，及时进行处理。

（6）智能门禁。借助MF RC522 射频识别功能和180°舵机硬件。射频技术可以读取IC 密匙，自动判断所使用的IC 卡是不是正确的IC 卡，识别正确，电机自动操作，门禁打开；识别错误，门禁无反应。

（7）无线控制。主要指手机App 与物联网平台之间的连接。利用Wi-Fi 和物联网智能平台，手机所发出的各种指令在物联网协议作用下自动实现控制操作。Arduino 开发板在接收到相应数据后，可以对逻辑结果实现自动判断，指挥相应版块进行操作。

4 软件系统设计与实现

软件系统主要是用户通过手机App 进行远程自动控制。软件功能主要是动态检测、异常警报。设计人员要结合用户需求、整体智能家居控制系统设计方案以及硬件设计方案进行合理设计。首先，用户通过手机终端能正常向系统中心处理器发出控制指令；其次，处理器能准确、快速实现信息接收和解析，并将当前状态下家居设备的运行环境和状态信息及时传输给用户；最后，当家居设备状态异常或者发生变化时，家居设备又能实时向中心处理器反馈信息，并自动启动预警预案，实现准确定位，自动化处理，相关数据同步用户智能终端。

4.1 自动控制的实现

开发主板借助多种类型传感器，采集和处理人体红外线信息、光照信息、温湿度信息、门禁操作信息，通过物联网协议形成自动逻辑判断，智能操控门禁、灯光、家电、窗帘，又能自动控制LED 显示屏进行相关数据显示[4]。

4.2 远程控制实现

借助Wi-Fi，用户手机软件可以连接家庭网络，借助网络协议自动启动物联网云平台系统。Wi-Fi 端口与Arduino UNO 开发板数据端口进行连接，温湿传感器所采集和处理的温湿信息数据自动共享物联网云平台，烟雾传感器所采集和检测到的烟雾含量数据自动共享物联网云平台，以此类推，用户借助手机终端就可以实时了解家居环境中各项设备所采集的数据，并结合自身需求对相关设备在手机终端发出控制指令，相关指令又通过物联网平台和网络协议传输给Arduino UNO 开发板，开发板按照接收到的指令要求控制相对应家电、门禁、窗帘、灯光等。智能家居软件控制系统的传输流程如图2 所示。

图2 智能家居软件控制系统的传输流程

4.3 手机App 的设计与开发

远程自动控制手机移动终端App 软件的开发，版块分配清晰且简单易操作。本智能家居系统会有2个设计页面：第一页面，手机用户能直观看到的页面，提供官方功能实现组件，提供预实现设计功能，能满足用户的基本需求，也能根据用户需要实现组件页面的定制、美化和调整；第二页面，逻辑页面，进行功能组件逻辑程序编辑，助力实现手机App各软件功能。智能家居控制系统如图3 所示。

图3 智能家居控制系统

该App 软件包含智能网关、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器、可燃性气体传感器、光敏传感器、电动窗帘控制、智能门禁系统、空调、云摄像头、智能电灯、智能高清电视机等。用户既可以在手机App中实现对各种智能家居设备的远程操控，还能直接在手机App 商城找到自己所需要的家居用品，并实现购买。软件本身也提供远程控制教程以及一些智能场景模拟等功能，更方便用户入门和使用。

5 基于物联网的智能家居发展趋势

5.1 环境控制与安全规范

现阶段，智能家居系统的研究还处在不断完善和发展的阶段。智能家居系统体现在标准化和个性化方面的种种不足也将成为未来智能家居系统“补短”的重点方向。标准化和安全化的理念未来也将贯穿智能家居控制系统设计的始终[5]。例如，在温湿度调控、安全防范、影音远程控制等方面，会更进一步实现控制任务的远程控制和集成，最大程度满足用户的个性化需求。

5.2 新技术应用

未来，随着社会环境的变化，各方面技术不断更新和发展，智能家居控制系统设计也必将与未来的新技术、新设备以及新工艺实现结合，将网络通信、自动控制、安全防范等技术的作用最大化发挥。此外，智能家居控制系统的不断发展和进步还可能会引发未来IT 行业的新风潮，最大化拓展其应用范围，助力智能家居的商业化发展。

5.3 与智能电网的结合

用户住宅中，电网是基本需求，智能电网能为整个智能家居控制系统实现全方位服务。在手机移动终端就可以实现全方位信息的接收和处理，能更进一步地提升智能管理效用。

6 结 论

物联网技术与智能家居控制系统设计的结合是必然的发展趋势，也能从根本上助力智能家居产业的进一步发展。基于物联网的智能家居控制系统设计不仅要以市场为导向，进行标准化和个性化智能家居系统设计，还要充分尊重用户需求，确保控制系统各项功能能切实满足用户体验。智能家居控制系统设计中选择的智能灯光、智能家电、智能门禁、智能窗帘、智能家居环境测试以及烟雾报警等模块是基于对普通用户的日常需求进行充分调查及分析后确定的，经反复测试，各模块功能能顺畅实现。后续随着各方面技术的不断发展和进步，该控制系统的各方面功能将进一步提升和完善。