一种智能家居系统的设计和应用

卫亚兵　彭凯　张锐

摘 要：文中设计了一种支持多种无线传感技术的智能家居系统解决方案，通过智能家庭网关的衔接，将家庭内部的各无线传感设备与外网互联，用户可通过手机、电脑等设备，随时随地地管理、监测、控制家庭内部的智能设备。该系统结构简单，可靠性高，易于扩展，满足了家庭低功耗、低成本的需求，具有一定的普及、推广价值。

关键词：智能家居；智能家庭网关；无线传感设备；低功耗；

中图分类号：TP39；TN915.41 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）03-0-02

0 引 言

互联网的信息传输和数据处理都在计算机或手机类智能终端上进行，网络的起点和终点都是计算机或手机类终端，无法到达真实世界中的物品，缺少实物网络连接和信息处理的“最后一公里”部分。

物联网是一种连接物品的互联网，通过互联网的通信信道协调、控制和分析，实现物与物、物与人，所有物品与网络的连接，是互联网发展的必然产物，也是互联网范围的进一步延伸和扩展。

智能家居系统是物联网技术在小区家庭居住领域的应用，以住宅为平台，兼具建筑设备、网络通信、信息家电和设备自动化，集系统、结构、服务、管理为一体，是计算机技术、网络技术和控制技术向传统家居渗透发展的必然结果。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，同时提供信息交互的功能，使得人们能够随时随地查看家居信息、控制相关设备。其应用主要有智能照明控制、智能家电控制和智能安防等方面[1]。

1 系统架构设计

智能家居系统的设计目的是将用户的指令准确无误地传达到指定的家庭电子设备，实现网络化、自动化和智能化的监控与管理。

首先，在传统家居设备上安装对应的信息节点模块，采集家居设备的相关信息，上传或接收下发的控制命令信息，即能够使信息数据到达最终的家居设备物品，实现信息数据“最后一公里”的连接，完成物品之间的信息互联。

其次，需要搭建用于家居信息数据传输的家庭内部子网络，将各种智能家居设备终端节点连接起来，实现信息数据的畅通与可靠传输。

最后，为了实现远程异地、随时随地地控制家居智能设备，需要搭建基于互联网等公网或专用网络的智能家居云服务系统，将信息数据“最后一公里”的家庭子网络连接进来，组成覆盖到家庭物品设备的智能家居式物联网。结合上述设计要点，典型的智能家居系统体系架构如图1所示。

从智能家居体系架构图中可以看出，相比传统的互联网，家庭内部子网以及家居设备终端节点这“最后一公里”网络是智能家居技术研究的焦点。

根据用户需要，家庭内部子网的终端节点与网关节点之间的通信可以采用有线和无线方式。有线连接方式成本低、技术简单、通信干扰小，如RS 485串口通信和局域网有线通信，但需要专业的建筑弱电施工人员参与布线和后期维护，系统灵活性较差，设备后期扩展较麻烦。无线连接方式相对来说较为灵活，安装简单、使用方便、维护简易、系统扩展可做到随心所欲，但相比有线来说信号传输稳定性和抗干扰能力要差。

当前智能家居室内无线通信技术主要有ZigBee，WiFi，蓝牙4.0和射频RF433 MHz，RF2.4 GHz等几种，这些技术基本都具备了低功耗，短距离，相对低成本，部署灵活等特点，非常适合家庭等小范围场所内的设备控制[2]。

不管是有线连接方式还是无线连接方式，都需在家庭内部子网络中部署一个家居设备网关节点，将各家居设备终端节点连接起来，通过WiFi或网线连接到家庭路由器。家居设备网关节点是整个智能家居家庭子网的关键设备，主要起到信息中转的作用，将用户指令传递到家居设备终端节点进行控制，搜集家居设备终端节点的相关信息并上报给用户进行监控等[3]。

用户通过手机、平板或电脑等终端设备可实时查询、监控各个家居设备终端节点的运行状态信息，可向指定的终端节点发起控制命令操作，控制节点设备的运行。对于家庭室内的用户操作，所有数据信息交互均在家庭内部子网内完成，无需经过互联网和云服务系统；对于远程异地操作，则需要云服务系统的参与，将用户控制命令正确地转发至指定的家庭内部子网，并将节点设备的回复信息转发给用户。

2 系统实现方案

从智能家居系统体系架构图中可以看出，整个系统包括四个部分，分别是家居设备终端节点、家居设备网关节点、手机和电脑控制终端软件以及远程云服务系统软件。

2.1 家居设备终端节点

家居设备终端节点是智能家居系统控制管理的目标设备，主要用于智能照明控制、智能家电控制、智能安防监控和智能室内环境监控等方面。在硬件实现上，采用STM8低功耗单片机加无线射频外设，具备低成本、低功耗、无线传输等特点。

家居设备终端节点需要注册到家居设备网关节点中，与网关节点设备建立通信连接，方能接收到用户的控制指令，并将自身的相关状态信息上报给用户。家居设备终端节点的主要处理流程有注册流程、控制流程和状态维护流程，如图2所示。

2.2 家居设备网关节点

家居设备网关节点是家庭内部子网的关键设备，将家居设备终端节点统一连接起来，并与傳统互联网互通。通过家居设备网关节点将用户的指令传递到终端节点处，并能将终端节点的相关状态信息反馈给用户实时监测。

家居设备网关节点在硬件上采用STM32低功耗单片机作为核心微处理器，具有丰富的多种外设接口资源。通过外接无线射频模块，如RF433 MHz射频模块，实现与家居设备终端节点的无线射频通信。外接WiFi集成模块，实现与家庭路由器的连接互通，完成无线射频通信到互联网通信的转换。

家居设备网关节点除了参与终端节点的处理流程，还需要维护与手机控制软件、远程云服务系统的通信连接。

2.3 手机和电脑控制终端软件

手机和电脑控制终端软件主要向用户提供操作界面，接收下发用户的控制指令，向用户呈现智能家居设备的状态信息等。手机端控制软件可以基于主流的Android和iOS两种平台系统进行开发和实现[4]。电脑端的控制终端软件可以采用Web化的形式，具备跨系统平台等优点。

手机和电脑控制终端软件主要涉及本地管理控制和远程管理控制两个处理流程。在本地管理控制中，控制终端软件直接与家居设备网关节点进行连接通信，使用常用的以太网Socket消息通信；在远程管理控制流程中，控制终端软件首先需要连接远程云服务系统软件，将用户控制命令通过云服务系统软件转发给指定的家居设备网关节点，并且通过云服务系统软件接收控制响应消息，具体流程如图3所示。

2.4 云服务系统软件

云服务系统软件主要用于解决智能家居设备的远程智能控制和监管。当用户不能直接连接到家庭内部子网的网关节点时，需要通过远程云服务系统软件与网关节点建立通信连接，进而实现智能控制和状态监控。

云服务系统软件处于公网之上，具备合法的公有IP地址，而家居设备网关节点处于家庭内部子网，仅有内部私有IP地址，其与远程云服务系统软件的互联涉及私网穿越技术。本系统使用常用的STUN/TURN私网穿越技术，实现家庭内部的网关节点与外网云服务器之间的互通[5]。

3 结 语

目前，市场上智能家居类产品种类繁多，各大厂家都在踊跃进入。但严格来说，都只应用了智能家居中的某项技术，距离真正意义上、无处不在的物联网智能家居还有一段距离；尤其在智能应用层融合方面，還需要多行业深度合作，才能提供一个全方位、高效、舒适的智能家居环境。另外，统一标准、智能家居安全机制等的缺失也是制约物联网智能家居发展的瓶颈，需要更多技术人员研究，共同推动。

参考文献

[1]吴晓，周建平，梁楚华，等.物联网技术在智能家居中的应用研究[J].物联网技技术，2012，2（11）：71-73.

[2]钟科，陈向东.基于物联网的智能家居服务网关的设计[J].通信技术， 2012，45（8）：65-67.

[3]姜龙，罗小巧，杨明红，等.基于ZigBee的家庭网关的设计与实现[J].通信技术， 2013，46（5）：45-47.

[4]程亮，章国宝.基于iOS的智能家居终端控制系统[J].计算机应用， 2015，35（S1）：292-295.

[5]曹诚，唐卓浩.一种智能医疗云平台的构建方案[J].信息通信， 2015（7）：79-81.

[6]郭敏.浅谈基于物联网技术的智能家居系统的建构[J].西部皮革， 2017，39（6）：2.

[7]朱欣颖，陈曦. 基于WiFi智能家居控制系统的设计[J].智能计算机与应用， 2014，4（6）：80-82.

[8]白文新.西门子S7-200 smart PLC在智能家居系统中的应用[J].机电信息， 2015（9）：137.