易部署模块化智能家居系统设计

黄焕林+申晓平

摘 要：文中介绍了一套易部署模块化智能家居系统的设计，该系统是一套实用性新概念智能家居管理系统。智能家居以住宅为平台，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、音视频技术将与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。易部署的模块化智能家居系统方案，具有低成本、易普及等特点，有望引领行业规范的形成。

关键词：易部署；模块化；智能家居；ZigBee；RS 485

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）11-00-02

0 引 言

随着物联网技术的成熟，智能家居产品层出不穷，但这些智能家居设备往往从“设备”这个点上下手，没有从家装方面考虑，且缺乏联动性、部署美观性，成本居高不下。随着设备的增多，这些智能设备的缺点就暴露出来了。

本文提出的智能家居系统由ZigBee无线个域网、RS 485有线通讯结合互联网组成。系统包含家居电源管理功能、家居安全检测功能、家居环境检测功能及一个方便易用的控制终端。支持有线、无线部署。

该系统具有高可靠性、低功耗的ZigBee核心板或8051核心板，核心板与传感器设备或继电器设备采用模块化组合方案。该系统以用户实际需求出发规划部署，以达到高效便捷的作用。

系统的控制终端具有外形精美，可作为艺术品摆设的控制盒。通过敲击该控制盒便可以输入控制信号（即以敲击序列作为指令），根据信号管理该系统。这是一种新概念的管理信号传递方式，通过敲击可以输入控制信号，即以敲击序列作为指令。

系统具有可扩展的公开接口，预留用于后续第三方应用或电器设备接入该系统。整个硬件系统由ZigBee组网技术或RS 485通讯网连结，且接入以太网，联网路由器通过DDNS发布网络管理界面。整体具有完整的可靠性和安全性，并具有开放平台，为形成生态系统作好准备。

1 通用设备设计

考虑到走线美观性和安全性，系统不宜明线安装部署，在此基础上，将设备设计成86通用暗装线盒设备。因此可将硬件的设计模块化到中板和面板中。暗盒结构如图1所示。

面板采用通用面板，对于特殊传感器等设备，如红外人体，可在安装时手动打开槽孔，通用性强；电路的设计在中板完成，中板由PCB材质制成，核心板、传感器、继电器等器件模块化；电源采用市电供电，将AC-DC电源模块化，有DC5 V、DC3.3 V两种模块可选。

模块均不设计在中板PCB上，但中板对核心板、传感器模块、继电器模块保留机械安装位置和接口。由此实现模块化拼装，以满足家装时的灵活性。

2 系统拓扑结构

可将设备分为四类，即协调器、控制盒节点、用电器节点和传感器节点。经典应用关系如图2所示。

“路由”为普通家用无线路由、“客户端”是手机App。除“控制盒节点”必须采用通用设计外，“协调器”“用电器节点”“传感器节点”均为通用设计设备，设备间通过ZigBee无线自组网技术或RS 485有线组建。

系统中三种类型节点均可具有多个。其中用电器节点主要由 “核心板+继电器模块+市电适配模块+中板”（传感器节点、协调器）组成，用电器节点可接收来自协调器的指令开关继电器从而控制电器设备。通过继电器模块即可连接其他多路插座，单个用电器节点最多支持控制8路插座。

而传感器节点与用电器节点最大的区别是多样化，传感器节点根据采用的传感器不同可分为人体红外节点、光照度节点、入侵检测节点、火焰检测节点、烟雾检测节点、空气质量检测节点、温度节点、湿度节点等，且后续可通过系统升级加入更多节点。传感器节点具有低功耗特性，可采用干电池供电。

如果按通讯介质划分，可分为无线方式和有线方式，采用ZigBee无线通讯的网络结构如图3所示。

由ESP8266和CC2530组成“协调器”设备。ZigBee网络节点间可自由组网，节点间最大传输距离为40～200 m，满足家庭使用。有线网方式如图4所示。

两种方式中“协调器”均通过无线接入家用路由器，ESP8266在局域网中提供HTTP服务供客户端App配置管理整个系统。可以同时存在多个网络。

在家中，用户终端设备（PC或手机）接入路由后使用Web浏览器、客户端App即可管理系统，当用户离家时，还可以通过互联网远程管理家中的电器设备。

考虑到不同用户的需求和多样化特性，控制盒支持采用不同材料定制外壳，如陶瓷、阳极铝合金、塑料等。控制盒采用锂电池供电，可以循环充放使用。控制盒内置震动传感器，通过敲击可以给控制盒发送指令，从而控制家中的用电器设备。另外控制盒还内置红外信号发射功能，可以实现家中空调、电视等设备的遥控。

3 系统软件功能

系统具有自主研发敲击指令解析算法，该算法实现了输入控制盒的敲击动作去重、消除抖动，并具有防误操作等功能。

系统通过自主改进完成的ZigBee协议栈可以实现ZigBee多网状自组网、信道跳频防干扰、防网络入侵等功能。

系统用电器节点设备（如多路插座）具有一个“硬开关”、一或多个“软开关”，“软开关”给用电器断电或上电后可由软件控制改变用电器状态，而“硬开关”可以实现强制断电。

系统中协调器提供HTTP界面和客户端App设计，如简单的电器设备、传感器、控制盒加入、删除功能，还可以修改控制盒的敲击指令。另外还具有“智家功能”，通过该功能，可以设置一些自定义“场景”。通过传感器节点的配合，实现如开门时系统通过用电器节点自动开启家中灯具，温度达到上下限时自动开启空调，光照太强时自动拉上窗帘等功能。

4 结 语

该易部署模块化智能家居系统具有较强的整体连动性能，采用模块化设计可以加快产品的更新迭代，以用户需求为出发点自由搭配，最终实现“智能家居”。系统还提供开发者平台，支持接入更多类型的节点设备或其他智能用电器设备，因此保证了该系统的健壮性和多样化。最终形成安装部署工程规范，助力物联网发展。

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