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智能家居

智能家居系統設計方案


智能家居系統需要先進的信息技術的支持,物聯網技術的發展推動了智能家居技術水平的提高。物聯網中用到很多無線技術,這為基于無線的智能家居系統提供了很好的技術上的借鑒。同時,隨著藍牙小組(SIG)推出的旨在進軍廣闊的物聯網領域的低功耗藍牙,使得基于藍牙的智能家居系統的研究有更多的現實意義和技術保障。基于上述情況,首先設計了一種基于無線的智能家居系統架構,并在此架構基礎上設計了基于藍牙技術的智能家居智能控制器的總體架構。

一、無線智能家居系統架構

物聯網的架構體系層次一般分為三層,分別為感知層(信息感知網絡)、網絡層(網絡通信基礎設施)、應用層(應用服務支撐體系)。在物聯網系統架構基礎上,根據對智能家居信息通信過程的分析,本文設計了四層無線智能家居架構體系,從底層到上層分別為:感知層、局域網絡層、廣域網絡層以及應用層,其結構如圖1所示。

圖1 無線智能家居系統架構

智能家居的感知層主要以各種感知技術作為支撐,并結合相應的控制技術完成感知和表達任務。感知層主要負責對家居內的智能家電信息、溫濕度等環境信息及煤氣濃度等安全信息進行識別和獲取。

局域網絡層主要采用無線傳輸的方式,如ZigBee、藍牙等無線傳輸協議或者如IP地址等公開協議,將感知層采集的信息數據通過智能家居控制器發送的廣域網絡層。或者將智能家居控制器控制信息發送到感知層的設備控制器,從而完成控制任務。智能家居控制器是局域網絡層的核心部分,負責家庭局域網絡的互聯、協議轉換、設備監控、數據計算、數據加密等功能,同時又承擔著與廣域網絡層信息交互等作用。

智能家居的廣域網絡層主要依靠現有的互聯網和移動通信網將感知層的數據信息傳送到需要信息數據的智能家居系統的應用上。一般可以采用移動網絡的4G方式或者是以太網的方式與智能家居控制器實現信息數據交換。

物聯網中的應用層主要功能是實現對物聯網中的數據進行處理并應用。智能家居的應用層與之類似,是根據智能家居的不同業務功能或服務需要建立相應的應用業務系統。這些應用系統根據感知層采集的數據信息分析處理,之后做出決策并反饋給感知層,使其完成控制操作,從而實現智能家居的智能化控制。

二、無線智能家居應用與功能

通過與傳統智能家居的功能的對比以及對無線智能家居特點的分析,無線智能家居應該具有家庭通信、家庭智能控制、家庭安防與監控、家庭環境環境監測與節能管理及提供如家庭購物、在線教育等管理功能。針對上述對無線智能家居的分析,本文設計的智能家居可以分為如下五個子系統:

(1)家庭安防監控與危險報警系統:能夠對家庭內部的可燃氣體濃度、煙霧濃度意外斷電情況等進行檢測;或者當主人不在家時,有陌生人入侵進行監控。如果發生上述危險,安防監控與危險報警系統就能向主人發出報警信號,從而保障家居環境的安全。該系統由包含門磁感應器、煙霧傳感器、可燃氣體探測器在內的各種智能探測器以及智能家居控制器組成。

(2)家庭環境信息監控系統:實現對室內家居的溫度、空氣濕度、以及陽光照射情況的信息數據進行搜集并呈現給用戶,同時結合家庭設備控制系統和照明控制系統完成家居的智能化控制。該系統由溫濕度探測器、光強傳感器等眾多探測器以及智能家居控制器組成。

(3)家庭設備控制系統:通過傳感器得到的各種家庭環境信息或者用戶的人為控制信息,利用智能插座、智能開關等設備達到對家庭內部的家電設備實現控制的目的。該系統由智能家居控制器、智能開關的終端設備以及智能家電組成。

(4)家庭照明控制系統:完成對家居內臥室燈光、客廳燈光等各種燈光的開關控制及亮度調節。系統應包含各種燈具、智能開關、調節器以及智能家居控制器。

(5)家庭訪問控制系統:該系統能夠為用戶提供家居內部訪問和遠程訪問兩種方式來訪問、控制管理智能家居的環境信息數據和對家居設備的控制。近距離的訪問方式可以直接通過操作智能家居控制器完成;遠程訪問通過手機或者遠端PC機的方式實現。

三、基于藍牙的無線智能家居系統

無線智能家居的短距離的無線通信技術要求有很好的通信效率和穩定性、10~100米的通信距離、較低的使用成本以及較低的能耗。藍牙小組(SIG)采用的藍牙4.0標準主要特點就是低功耗,其目的就是達到物聯網對于短距離通信技術的要求從而進入該領域。本文研究設計的基于藍牙的無線智能家居系統結構如圖2所示。按照功能劃分,智能家居接入系統設備可以分為藍牙傳感器采集裝置、智能家居控制器、智能家居設備控制裝置及訪問控制裝置四部分。

圖2 基于藍牙的無線智能家居接入系統架構

藍牙傳感器采集裝置由藍牙通信模塊搭載煙霧傳感器、溫濕度傳感器等各種不同的傳感器組成,傳感器采集到的家庭環境的數據信息以及信息家電狀態信息通過藍牙通信模塊發送給智能家居控制器。設備控制裝備通過藍牙模塊接收智能家居控制器發送來的控制信號,完成對燈光、家電設備等家居設備的控制。智能家居控制器由核心的嵌入式系統搭載藍牙模塊組成,能夠通過對傳感數據信息進行計算和分析,做出控制操作命令,或者將數據信息通過屏幕顯示出來。智能家居控制器可以實現家居內部的無線網絡同外部的小區網絡或Internet通信,從而實現用戶通過遠程Internet的方式訪問智能家居控制器,控制和查詢整個家居范圍內的各種設備和信息數據。

四、基于藍牙的智能家居控制器的總體方案設計

在上述無線智能家居系統中,智能家居控制器處于最重要的功能地位,它是家居內部網絡的中央樞紐,也是家居內外實現通信的紐帶。根據之前對無線智能家居系統的分析,智能家居控制器應該滿足下述要求:

(1)低能耗智能家居控制器一般要求對家庭的安防與監控提供24小時不間斷的服務,同時還要滿足控制器的可移動性,所以要配備電池工作,這就要求家居控制器的功耗要盡量低;

(2)可靠性運行在智能家居控制器上的軟件及硬件都應該安全可靠;

(3)可擴展性由于微電子以及計算機技術的高速發展,新設備、新功能及新業務層出不窮,所以要求智能家居控制器應有良好的可擴展性;

(4)用戶界面簡便友好現在使用者不僅僅只對智能產品的功能有比較高的需求,更希望自己使用的設備界面友好,操作簡單方便。因此,智能家居控制器的用戶界面應該友好簡單、操作上方便易用;

應用于上述基于藍牙的無線智能家居系統的架構基礎上的智能家居控制器是一個具有藍牙通信功能的嵌入式設備。在硬件方面,其處理器采用三星公司的S3C6410 ARM處理器,同時搭載了核心電路模塊以及外圍通信等模塊。智能家居控制器通過Enternet接口與小區網絡或互聯網進行通信。在軟件方面以Android操作系統為平臺,根據不同的硬件模塊設計相應的驅動程序,同時按照智能家居的遠程控制及現場控制功能的需要在軟件系統上搭建嵌入式Web服務器并設計實現相應的應用軟件。圖3展示了智能家居控制器的系統結構圖。

圖3 智能家居控制器的系統結構圖

其中采集裝置中的收集獲取的數據信息通過藍牙通信模塊傳遞給智能家居控制器,智能家居控制器中的藍牙通信模塊負責信息的接收和發送,并將信息傳遞給ARM處理器,ARM處理器負責信息計算處理。信息采集裝置接入智能家居控制器的系統如圖4所示。遠程用戶通過Internet瀏覽器以及互聯網訪問智能家居控制器。

圖4 信息采集裝置接入家居控制器結構圖

總結

本文首先根據物聯網體系結構提出了一種采用無線通信技術的智能家居體系結構,之后分析了無線智能家居應該具有的功能以及按照功能劃分了之智能家居系統。針對藍牙通信技術,研究分析了一種基于藍牙技術的智能家庭接入系統以及方法。最后,在以上的智能家居系統的設計架構上,敘述了基于藍牙的智能家居控制器的總體方案設計。

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