基于智能家居功能模块的设计与实现

佘盛波 王振滔 楼浩栋 郑温昊 王雨泽 索文腾

摘要：近年来，以高科技和信息技术为基础的建筑智能化已经深入到越来越多的住宅小区，建筑智能化将进一步走进到每一个普通家庭。以家庭智能化方式实现的多元信息处理以及由此带来的安全、舒适、方便、节能的生活方式，将是信息时代中人们对住宅的全新追求。本文主要根据智能家居的应用功能出发，根据功能进行模块设计和研究。

关键字：智能家居，智能控制，智能建筑;

1.智能家居系统功能划分

智能家居系统是一个比较庞大的项目，专业性较强，下面的功能板块主要是：智能灯光控制，智能背景音乐，家庭影院系统，智能浇灌系统，其他控制模块等。

家用电器作为现有家庭必须品，行业市场规模巨大随着居民消费升级，高端化家用电器的占比逐渐提高，消费者也倾向于追求多样化，节能化，智能化的家用电器。智能控制器是各类家用电器的核心部件之一，大部分特定的程式功能均由其控制和实现，家用电器智能化水平的不断提高，给智能控制器行业带来了新的机遇。智能家居中央控制器的研发生产是符合国家在住宅科技方面的发展要求，有利于实现良好的社会效益和经济效益。

（1）智能灯光控制：可以用手机APP实现遥控等多种智能控制方式实现对全宅灯光的开关、调光等灯光场景效果的控制。

（2）智能电器控制：采用弱电控制强电方式，可以用遥控、定时等控制方式实现对多种电器的控制。比如智能温控，无论人在哪里，都可以远程控制家里的空调、地暖、新风等系统，为用户提供一个恒温舒适的室内环境。

（3）安防监控系统：实行安全防范系统自动化监控管理，住宅若发生火灾、有害气体泄露、偷盗等事故，安防监控系统能实行自动报警。用户不在家时，还能通过电脑、手机等实时查看监控录像，并进行远程控制。

（4）智能背景音乐：在家庭任何一处位置，都可以将MP3、FM、DVD、电脑等多种音源进行系统组合，让每个房间都能听到美妙的背景音乐，起到美化空间的装饰作用。

（5）智能视频共享：将数字电视机顶盒、DVD、录像机、卫星接收机等视频设备集中安装在隐蔽的地方，系统可以做到让客厅、餐厅、卧室等多个房间的电视机共享家庭影音库，并能通过遥控器选择自己喜欢的音源进行观看。

（6）家庭影院系统：是在家庭环境中搭建一个接近影院效果的系统，让用户在家即能欣赏影院效果级别的电影、聆听专业级别音响带来的音乐享受。

（7）智能浇灌系统：可以设定好每隔N天定时自动浇灌，太忙没有时间照顾花园时可以在电脑上查看家里状况，按下自动浇灌按钮，便能够按照设定模式为整个花园浇灌。

（8）系统整合控制：本着有效提高产品的实用率、尽量减少成本让功能最大化的目的，实现让用户仅需要在系统整合智能家居产品里，就可以做到灯光控制、电器控制、安防报警、背景音乐、视频共享以及弱电信息等功能。

2.智能家居控制模块功能设计

完整的智能家居系统包括5个部分：主控模块、电器控制子系统、照明控制子系统、安全控制子系统和网络控制子系统，5个部分功能上各司其职，逻辑上构成一个完整的控制实体。整个系统为人们提供智能、舒适、安全的家庭环境，同时提供远程信息监控能力。

（1）主控模块是智能家居的大脑，子系统是智能家居的四肢。主控模块，负责子系统的信息集中、存储、分析和决策。嵌入式芯片发展使主控模块越来越精巧，功能日益丰富。

（2）电器控制子系统，负责监控电器的运行状态，执行主控模块的控制指令。网络家电的发展扫清了不同家电的识别和互连的障碍，也简化了电器控制子系统的设计。照明控制子系统，又名情景控制，核心是对光影和色彩的智能控制。该子系统控制灯光在角度、明暗、颜色等方面的组合以满足不同的情景需求。该子系统也满足时间控制概念，具有机械动作传感器、人体移动传感器和照度传感器等。

（3）安全控制子系统，针对引起安全问题的诸多因素，起到防范和报警的作用，烟雾传感器、温度传感器、一氧化碳传感器负责环境安全控制;可视对讲系统预防陌生人的干扰;门磁传感器和窗磁传感器起到防盗作用。远程控制系统子系统，满足家庭网络和公共网络的联网控制功能。孤立的家庭网络使智能家居大打折扣，而和GPRS网络和Internet互联，又使智能家居别样精彩。

（4）主控模块的功能和硬件设计

主控模塊要完成以下工作：和子系统的联网、GPRS通信功能、以太网通信功能、显示功能、监控软件等。其中GPRS通信和以太网通信逻辑上属于网络控制子系统，这两种功能是在主控模块上实现的，一方面提高了集成度和稳定性;另一方面充分利用了主控模块在硬件和软件上的资源。

（5）主控模块和子系统的CAN总线通信

主控模块的处理能力有限，多个子系统和主控模块由现场总线组网构成一个分布式控制系统。各个子系统在主控模块的控制下协同工作。主控模块和子系统之间主要传输信息流和控制流。主控模块到子系统传输的主要是控制流，这些控制流完成子系统的配置或者命令子系统完成特定的任务。子系统到主机传输的主要是数据流，数据流主要包含子系统中各设备的运行状态或传感器数据等。主控模块和子系统的通信可以采用有线方式或无线方式。

3.主控模块的软件设计

（1）主控模块的软件架构

智能家居主控模块要完成4个子系统的协同工作，采用模块化设计思想，需要4个软件模块分别处理4个子任务，主任务协调4个子任务正常工作。每个子系统又可以划分成很多更细的任务。如果采用结构化的程序方法，程序设计非常复杂，系统会存在很多潜在问题。嵌入式硬件资源日益丰富，成本也较低廉，资源的增强使软件有更多的资源可以利用。主控模块的硬件资源非常丰富，软件系统也非常庞大，软件系统无法避免在访问资源时遇到冲突、数据同步、数据交换的问题，所以需要一个嵌入式操作系统统一管理硬件资源，并对软件开发提供良好的基础环境，比如：内存管理、进程管理、存储管理、文件系统、设备管理、消息机制、数据同步、数据交换、多线程、套接字等。操作系统虽然占据一定的存储空间，但是给软件开发带来的便利更加可观。

（2）主控模块的主程序

智能控制主控模块硬件上资源丰富，软件上有Linux操作系统的支持，主控模块的软件开发运用了模块化思想，模块的划分依据是高内聚低耦合，将逻辑上紧密耦合的一组功能划分为一个模块。模块划分结果以数据流图呈现出来。安全控制子系统、电器控制子系统和照明控制子系统的数据流和控制流，通过CAN总线网络传输到主控模块，主控模块的CAN通信监控子线程解析CAN网络中传输的数据。主控模块的数据分发处理器子线程根据数据的类型将数据分发到相应的数据处理程序。处理后的数据存储到数据库中，并在界面直观显示分析后的信息。

（3）网络模块在逻辑上是一个独立的模块，在实现上由于其特殊性是在主控模块实现的。远程PC通过Internet方式，手机通过GPRS方式将网络流发送到网络模块，网络模块会调用网络信息处理模块处理网络流，数据处理后或存储或通过CAN总线转发到其它控制子系统。

4.主控模块的性能测试设计

主控模块的性能主要体现在通信速度和通信质量。为了获得这些参数，需要测试主控模块和子系统之间的数据传输能力。测试方式是：无竞争点对点双向数据传输测试;有竞争点对点双向数据传输测试。测试指标是：传输时间和误码率。测试结果表明主控模块和子系统之间的通信比较稳定，数据传输速率较高，可以滿足实时性要求。测试中误码率很低，一方面说明CAN协议的稳定性;另一方面由于在数据测试中的数据量较小，从而出现错误的概率就小。

5.结论

智能家居系统是一个复杂的系统，由于控制对象过多，单个智能控制系统无法完成控制任务，需要构成一个家庭控制网络。智能控制系统主控模块在网络中起到调度和协调的作用。本文分析了家庭控制网络的结构，提出了主控模块的软硬件模型和设计方案，提出了主控模块和其他功能子系统联网的一种实用通信方案。

参考文献：

[1]赵跃鹏 等.基于物联网技术的智能家居椅控制系统设计.自动化仪表[J].2021，42（1）

[2]周利黔 等.新型中央空调控制系统设计.自动化仪表[J].2020，41（1）

[3]刘远聪 等.基于物联网智能家居网关系统的设计与研究[J].移动通信，2016，（22）.

佘盛波：衢州学院2019级物联网工程技术业本科学生。资助项目：衢州学院大学生科技创新项目（项目编号：Q20X042）