基于物联网的智能家居设计与实现

曹科 石学文

摘要：本文结合当前智能家居发展情况，在分析了物联网特征与智能家居概念的基础上，从设计需求、整体设计以及结构体系等多角度分析了物联网智能家居网络系统方案设计，并论述了智能家居设计中硬件设计以及软件设计应该注意的问题。通过基于物联网的智能家居设计系统的探讨，智能网的快速发展必将会带来智能家居的革命性进步，也会进一步提升人们生活的总体质量。

关键词：物联网;智能家居;家居设计

在信息化时代背景下，人们越来越关注到自身的生活品质，信息技术也正在深刻地改变着人们的生活和工作，也能更好地满足人们对于美好幸福生活的高层次标准要求，能实现更加智能化的生活。物联网技术的快速发展，是实现人们生活品质得到全方位提升的重要保障，对人们日常生活带来了诸多的便利性。

1 物联网与智能家居概述

1.1 物联网概念

“物联网”概念则是在1985年在美国率先提出，主要是通过信息技术的优势，能有效获得相关设备的信息，从而缓解人工压力，提升工作效率，主要是则是通过传感器技术能有效获取相关信息资料，并能实现数据传输的准确性、时效性。相比于互联网来说，物联网具有相似的特征，但主要是通过红外线传感器、温度传感器、光照传感器相关设备，来实现相应的嵌入式计算机的连接处理，并按照实际需求来设定主体设备的电子化标签，从而满足上网的要求。从个人情况来看，能有效实现相关的坐标、参数等监测工作。

1.2 物联网特征

1.2.1传感器技术

传感器技术则是物联网发展中最为关键的内容，涉及到相应的生物量、化学量、物理量等方面的信息资源的获取技术。在应用传感器技术的过程中，主要体现出数字化特征，能实现接受以及转化数字信号的要求，从而明确相关的信息内容，保障信息传输质量及效率的大幅度提升，避免出现信息内容不准确、模糊等情况;其次，具备多功能的特性，能涉及到红外线、温度、光照等多种方面的应用，符合经济社会发展的多元化需求;另外，还具备联网型，能有效进行采集信息的上傳，实行动态化的观测信息，体现出灵活方便的互动性特点。

1.2.2 无线射频识别技术

无线射频识别技术，简称RFID技术，则是属于无线通信的范畴，能有效实现无线电信号的电子标签能有效设置在观测对象上，并能有效进行相关的观测以及物理定位等操作，能满足体现出“非接触识别”的特点，能实现跨区域、自由化的信号传输活动工作，避免在传统监测中所涉及到的必须要直接接触的限制，使得应用功能得到全范围的拓展。另外，还可以结合实际需求来反复国瓷应用无线射频技术，能结合实际需求来进行标签内容的修改，实现技术成本得到控制，也能满足高效、便捷化的实际应用需求。

1.2.3 Zigbee技术

Zigbee技术则类似于传统意义上的无线蓝牙技术，能满足实现近场信息接收与传输的要求，但相比而言则具有更低的功耗，在这样能有效控制应用成本，具有更为广阔的应用空间。“低功耗”则是最为显著的特点，大部分非工作状态则是休眠状态，并没有电能的损耗。相应的发射功率比较低，这样就会实现系统的比较低的耗电量。另外，Zigbee技术还体现出“设备容量大”的特点，能满足在网络条件下接入多台设备的需要，实现网络通信的高效工作。所以，其在智能家居系统中具有广泛而可靠的应用空间。

1.3 智能家居特点

智能家居系统则是成为“智能住宅”，美国在1984年便提出了智能建筑的概念以及应用，并在随后颁布了满足于个人家庭的《家庭自动化系统与通讯标准》。随着不断的发展，我国的建筑智能化水平越来越高，在进入二十一世纪后，我们越来越重视绿色低碳、资源节约型社会的发展，智能家居得到了空前的发展机会，一大批的Zigbee无线网技术、语音控制技术、CAN总线技术、STM32无线网络和IntoRotot云平台技术得到了快速发展，正在不断推动着我国的智能家居控制系统的快速前进，也能更好地满足于个性化的家居环境中的智能控制要求。

总体来看，随着我国智能家居控制系统的日趋成熟，尽管存在着一定的个性化、差异化的实际需求，但总体表现为如下几个方面的特点：一是，符合个人的家居环境、应用习惯以及服务需求则是主要原则，能提出有针对性的个性化家居智能控制服务技术，这样也能有效推广智能家居控制系统的应用空间;二是，家居控制系统具有节能性、安全性以及舒适性等特点，能有助于积极构建更好的人居环境，符合当前绿色低碳化社会的发展要求;三是，重视网络技术、信息技术、通信技术以及终端设备应用技术的创新发展，用技术的进步来推动智能家居控制系统的快速发展，实现智能家居控制系统应用得到普及。

2 物联网智能家居网络系统方案设计

2.1 设计需求

结合物联网智能家居网络系统的设计需求，一定要满足物联网技术的优势，更好地服务于智能家居系统，通过系统优化来保障提供具有节能性、安全性、舒适性的多种家居需求。正是从多种需求的角度出发，才能保障物联网智能家居网络系统具有广泛的应用空间。其中，安防系统功能则是能从中整体来有效检测智能系统中设备情况，如出现异常情况时，则应立即进行报警处理;舒适度自动调节则是能进行动态化的实时监测室内温度的情况，能结合用户的实际需求来进行智能化的调节，以满足用户的需求。调控指令则是借助于互联网技术，能有效进行命令消息传递以及反馈。通信功能则是对于住宅中存在着火灾等危险进行有效提醒，起到必要的警报作用。所以，结合物联网智能家居网络系统的实际需求，能体现出用户的不同功能的各个方面，特别是满足于人们的舒适性、安全性的要求，同时，借助于先进的信息数据处理以及分析功能，还能有效提供智能化的控制方案。

2.2 整体设计

总整体设计的角度来看，则是能有效控制能耗成本，控制投入成本，借助于先进的传感器技术、互联网技术，并没有在硬件投入过于的成本。结合实用性的角度进行分析，这里采用嵌入式的方案，能有效配套嵌入式较为成熟的软件应用，实现软件设计开发成本得到有效控制。

结合基于物联网的调控系统结构进行分析，主要是从局域网与互联网两个部分进行，并能结合实际需求通过无线和有线两种方式开展连接处理。互联网单元模块，则是通过个人手机以及远程监控的方式来进行操作。硬件则是选择符合实际需求的芯片，能够快速处理数据资料信息。电路设计则体现出一定的节能性;软件则是则是采用模块单元化的设计方案，能具有简洁性、复用程度高的特点。从通信方式角度分析，系统能满足实现家居环境中所有信息资料的传递以及处理的要求，具有一定的可开发性，能实现与多个单元满足多元化的通信需求，能保障较高的通信质量。

2.3 系统软件体系结构的设计

系统体系设计则主要体现出节能性的特点，在模块化设计的基础上，则应合理化安排各个单元功能，并能设计良好的连接接口，从而有效控制相关的能耗问题。同时，在进行系统维护以及管理中，则利用简单化的方式，满足系统能在非工作状态下的快速休眠模式，有效避免出现不必要的能耗问题。在通信层面来看，则应重视数据的完整性应用方面。

3 智能家居系统硬件设计

3.1 通信单元设计

在具体通信实践过程中，则应明确不同节点和智能网满足较为紧密的联系方式，并能借助于ZigBee系统来满足，所以，通信单元则是智能家居系统中最主要的方面，直接关系到系统整体的稳定性情况。在方案设计中，借助于ZigBee技术的优势，能具有较强的抗干扰性，通过健壮的算法能有效避免出现数据丢失的问题，以保障实现数据的合理化存储的要求，满足在尽可能短的阶段中实现有效传输，具有较强的时效性。

结合TC35单元硬件模型的设计方案，则是通过GSM单元来进行数据的智能化分析，有效实现设备的连接，并能进行传输所接受的数据信息内容至使用者的接收器，使用者能有效通过该接收器来进行指令发出。

在具体的操作环节中，由于TC35 GSM模块具有明显的应用优势，具有较为广泛的应用，往往能耗较低，并能有效节省控制，实现双频道的合理利用。

3.2 采集单元设计

结合智能家居系统的设计要求来看，则应有效实现温度采集工作，具体的连接环节，一定要严格落实具体的安装要求和顺序，从而保障推动模块的正常化运行。

3.2.1温度传感器单元

在进行温度传感器单元的选择过程中，这里主要采用DS18820的模块，能满足55℃以上的测量，符合智能家居环境的要求。此模块小巧耐用，操作简便，广泛适用于房间环境，通过一根导线连接就可以满足信息传输要求。

3.2.2 湿度传感器单元

现代人非常重视生活品质，而环境湿度则是居住品质中重要内容，这里选择相应的采集及监测湿度的传感器，能有效反映出居住环境中的湿度动态变化情况。同样利用一根导线能实现湿度传感器的数据传输，设计类似于温度传感器，借助于MCU进行信号发送，在非工作状态下而进行低消耗模式的运行。同时，还将安全防卫系统融入模块单元中，能有效监控危险事故，当出现问题后则应进行报警处理。一般来说，家庭都是无人状态，这样能大大降低安全事故隐患。

3.2.3 火警监测单元

在进行设计的过程中，火灾火灾报警的主要标志则是为C0浓度，这里选择MQ-7传感器。此传感器能有效进行实时检测CO浓度，具有比较好的灵敏性，完全符合智能家居系统的要求，能有效实现CO浓度检查，实现相关数据信息的快速收集。同时，在电压低的情况下，能够检测，而当电压较高情况下则能够驱散收集到的气体。在尽可能短的时间内，能有效通知用户，能配置相关的蜂鸣器来进行检测火灾，在火灾情况下，则会自动触动蜂鸣器报警装置。

3.2.4红外帘幕传感器

结合家庭中安装传感器来检测外界入侵的情况，则应合理化选择传感器，能安装在住宅附近，能有效实现对于住宅整体环境的保护要求。当出现紧急入侵的情况时，则能通过红外幕帘传感器的作用来触发警报，从而能满足住宅以及内部人员的生命财产安全。

4 智能家居系统中的软件设计

结合智能家居系统的实验情况，这里选择具有一定可靠性的IAR Systems的c/c++编译器环境，能有效将其推广应用在大范围的应用程序中，具有良好的效果。相比而言，这种环境能有效利用好当前较为先进的芯片处理技术。在进行相关的数据采集之后，能够借助于预先设定好的程序来进行处理，能将分析结果及时向网关进行必要的反馈。在此之后，节点则会停止工作，并能等待着再次使用。

对于调控点来看，并没存在着休眠状态，则应意味着全天的工作状态，这样能有效进行指令的接收以及发送处理，并能按照不同工作流程来进行相关工作。在进行软件设计过程中，则应落实好规范、科学的要求，实现快速连接网络，符合数据传输的基本要求，有效控制能耗问题。对于启动控制节点的工作流程指令之后，则能实现网络自动化搜索，有效进行本地网络的连接。调控节能则应满足实际环境中的多线程需求，能有效从多角度来开展数据的采集以及处理工作。

对于智能家居系统中网关节点来说，能具备发送指令等多方面的功能，借助于接受信息工作，则能有效通过网关来进行数据的深入剖析，从而为后续工作奠定良好的基础。从数据处理的准确性角度出发，则应体现出本设计中的多线程特点，能有效实现快速处理数据的要求。借助于手机终端登录的方式，能全方位来查阅家居中的环境，并能借助于网络技术来实时操控家居电器，能提供安防、温度、湿度等多个操控界面，能很好地体现出家居智能化的服务要求。

5 结论

由此可见，在信息化时代背景下，正是由于计算机技术、互联网技术、传感器技术等快速发展，能全方位推动物联网技术的进步，从而能有效实现人们对于家居生活智能化的需求。在物联网技术的不断成熟和进步的背景下，智能技术必将给家居生活带来深刻的影响，同时，也能更好地满足于人们对于美好生活的追求，这也是信息时代发展的必然要求。

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作者简介

曹科（1994-），男，山东省淄博市人。硕士学位，学生。研究方向为物聯网与智能控制。

石学文（1971-），男，山东省秦安市人。硕士学位，副教授。研究方向为智能控制。