一种基于物联网的智能家居系统设计

陈庆惠 郭福燕

摘要 目前，物联网技术飞速发展，其用户端延伸和扩展到了任何物品和物品之间。为了进一步提高物联网技术服务大众的能力和水平，本文在当前研究成果的基础上，对基于物联网的智能家居系统进行设计。给出了智能家居系统的体系架构，并把大数据理念引入本设计中。对系统架构各环节进行了了分开阐述，对系统设计理念及思想进行了重点介绍，本文方法具有一定的社会意义及实践应用价值。

【关键词】物联网 智能家居 系统设计 大数据

1 引言

随着社会的不断发展，当前社会的主要矛盾发生了变化。社会矛盾由“人民日益增长的物质文化需要同落后的社会生产之间的矛盾”变化为“人民日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间的矛盾”。人们对美好生活的需求日益增强，希望生活更加智能化，舒适化。物联网技术是改善人们生活质量的重要技术。

物联网技术是在互联网技术基础上延伸和扩展的一种网络技术，其用户端延伸和扩展到了任何物品和物品之间。物联网技术在百度上的定义是：“过射频识别（ RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、追踪、监控和管理的一种网络技术叫做物联网技术”。

基于物联网技术的智能家居设计成果较为丰富，如2014年电子科技大学的张清涛提出了一种“基于物联网技术的智能家居系统设计与实现”策略。2016年邓桢文等提出了一种利用计算机和手机等终端通过Wi-Fi等方式控制家用电器、设备等，进而构成简单的智能家居系统的方法。2017年张凡荣等提出了一种“基于物联网技术的智能家居远程无线监控系统设计”方法，实现了基于RISC的家居智能控制与管理。

本文在当前研究成果的基础上，对基于物联网的智能家居系统进行设计。主要给出了智能家居系统的体系架构，并把大数据理念引入本设计中。对系统架构各环节进行了了分开阐述，对系统设计理念及思想进行了重点介绍，本文方法具有一定的社会意义及实践应用价值。

2 系统设计理念及总体架构

本文给出的基于物联网的智能家居系统的特点主要包括以下几个方面：

（1）通过网络把家中的物品联系起来，能够形成信息互通和信息汇聚的能力。

（2）家居事物能够具备智能控制和信息通信能力，即其本身具备智能化。

（3）系统能够通过云服务技术引入较为丰富的应用APP，通过应用软件来提高系统的服务能力。

（4）系统能够引入大数据技术，增强系统体系的数据分析能力，提高系统的智能化水平。

本文通过对上述系统特点设计及实现方法的研究，明确了本文所述系统的设计理念，即通过物联网技术实现智能家居信息互联，进而在应用软件的支持下，借助当前较为流行的大数据理念实现系统技术应用的先进性。系统的总体设计方案如图1所示。

从图1可知本文的智能家居系统设计主要包括四个部分：

（1）安装了智能控制器的家居部分，如电冰箱、洗衣机、空调等;

（2）通信部分，如RFID、Wi-Fi、4G、有线网络等。

（3）智能终端部分，如手机、笔记本、IPAD等。

（4）第三方软件服务器部分，如大数据服务器等。下面从四个方面对本文所述系统进行展开阐述。

3 智能家居设計

本文智能家居系统中的家居需要具备一定的智能化，家居主要包括智能控制部分、信息通信单元部分、信息采集部分。这里以智能冰箱为例对本文所述智能家居设计理念进行辅助说明，冰箱的控制部分可以包括温度控制;信息采集为温度信息采集、视频信息采集;信息通信部分主要包括网络通信模块。其工作原理为：用户通过信息通信部分实时获取冰箱的运行信息，冰箱的信息采集部分采集冰箱的实时温度通过通信网络发送给用户。另外，冰箱也可以通过视频采集部分向用户传递冰箱内情况信息。用户可以通过温度控制部分实现对冰箱温度的个性化调节。冰箱也可以通过网络与大数据及云服务服务器连接，实现智能化控制。其具体应用可以是用户可以通过了解当前冰箱内的物品情况，经大数据提供需要购买的物品。用户可以根据回家时间，提前控制冰箱温度使物品化冻。

4 通信网络设计

通信网络可以采用当前较为流行的Wi-Fi无线网络。Wi-Fi的特点是：

（1）无线通信，可以减小网络布线;

（2）此技术较为成熟，Wi-Fi网络芯片及Wi-Fi智能终端较为普遍，有利于搭建网络应用。

本设计采用USR-Wi-Fi232-B无线模块完成Wi-Fi通信功能。该模块内部集成了TCP/IP协议，采用串口通信的方式，一方面较为方面的接入Wi-Fi无线网络，另一方面可以较为方便的接收来自微控制器的控制信息。通过在家居中集成基于Wi-Fi的网络通信单元，把家居引入了通信控制网络，实现了对家居的控制条件。

5 智能应用设计

本文的智能应用理念是把大数据引入到智能家居的系统设计中。通过用户需求或用户偏好，生成符合用户需求的家居工作模式。本文基于约束型Petri网来给出工作模式生成算法。下面先给出约束型Petri网的形式化定义。

加入基于布尔值的变迁约束函数，主要适用于基于大数据的状态约束。下面给出约束型Petri网的可达标识获取算法。

算法1：约束型Petri网可达标识计算

输入：约束型Petri网YPN=（P，T;F，M，f（t））。

输出：YPN的所有可达标识。

第一步：新建一个可达标识库0，把初始标识作为当前标识M，并放入可达标识库O中。

第二步：遍历YPN.T。若当前元素为tp。通过定义1判断tp的使能性。如果tp使能，令M[tp>Me。

第三步：遍历可达标识库0，若当前元素Item。若Item等于M，则返回。

第四步：把M放入可达标识库0中。

第五步：输出可达标识库O。

算法1给出了约束型Petri网可达标识计算算法，下面给出应用约束型Petri网进行家居工作模式选择的方法。

算法2：家居工作模式选择的方法

输入：家居型号，大数据信息。

输出：适宜的家居工作模式。

第一步：根据家居型號，通过查找大数据信息，明确此类家具的控制模式库Q={mode1，mode2，…，mode_n）。

第二步：根据大数据明确各类控制模式的选择条件。如对于冰箱，若用户下午5点下班，可以对变温箱的温度进行提前调整，以便用户下班后可以拿到已经化冻的物品。

第三步：根据第二步中的输入条件和输出模式的对应关系，构建基于定义l的约束型Petri网形式化模型。进而通过算法2获取可达标识。最后，根据可达标识析取出标识为1的库所，即为输出的家居工作模式。

例如：对于空调可以有除湿模式、制暖模式、制冷模式、睡眠模式。系统可以根据大数据中用户的作息时间，明确当前的家居工作模式。在约束Petri中，输入库所对应着当前条件，输出库所为各类工作模式，变迁控制为用户偏好。如当前是夜间12点，温度较冷，则系统可以自动切换至睡眠制暖模式，实现家居工作模式的智能选择功能。

6 结语

为了进一步提高物联网技术与社会生活的融合力度，本文提出了一种基于物联网的智能家居系统设计策略。通过上面几个小节的阐述，给出了系统的体系架构。明确了本文的技术特点，运用了大数据的信息分析手段，提高了系统的智能化程度。本文工作丰富了物联网技术在智能家居领域的应用理念，具有一定的应用实践价值。下一步将对家居智能化设计做进一步研究，如智能控制模式、通信协议等。

参考文献

[1]张清涛.基于物联网技术的智能家居系统设计与实现[D].电子科技大学，2014.

[2]邓桢文，程洪亮，蔡艺韵，郭婉铭，基于物联网技术的智能家居系统设计[J].福建电脑，2016 （02）：153-155.

[3]张凡荣，杨满仓，基于物联网技术的智能家居远程无线监控系统设计研究[J].信息记录材料，2017 （10）： 36-37.