基于無線通信技術的智能家居系統的硬件方案設計

王玉權，閆 艷，羅 偉

（深圳市大景智能控制有限公司，廣東深圳 518000）

1 智能家居系統架構

基于無線通信技術的智能家居系統總體設計如圖1所示。系統按功能可分為服務器、移動設備客戶端、智能網關和智能插座。按結構可分為室內部分、室外部分和服務器部分。

圖1 系統整體設計圖

1.1 室內部分

室內部分主要包括智能網關和智能插座。用電器直接插在智能插座上運行，智能插座對其用電量進行計量，并采集其電壓、電流和功率等信息。智能網關一端接網線與服務器通信，一端通過電力線載波通信技術與室內所有插座通信，收集智能插座的開關狀態和用電數據，定時通過網絡上傳到服務器，服務器通過特定的命令格式對智能網關下發實時控制或讀取命令，智能網關收到命令后通過電力線載波通信技術發送給指定智能插座以執行，并將結果返回給服務器。電力線載波通信技術是利用現有電力線，通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術，既經濟又十分可靠。

1.2 室外部分

為了實現用戶可以隨時隨地在任意一種網絡下對自己家庭所有用電器的監控，除了可以通過PC 瀏覽器方式登錄服務器外，還針對智能手機提供了一款客戶端軟件。用戶可以選擇PC 方式或智能手機客戶端的方式登錄服務器獲取自己家庭中的每個用電器的工作情況和用電量等信息，并可對其進行控制。

1.3 服務器部分

服務器實現以下功能。

（1）提供接口監控現場設備。服務器對所有連接的家庭網關進行響應，并將其上傳的定時數據保存到數據庫，實現用戶可以查詢自己家庭總用電量或單一用電器用電量的歷史信息。服務器還可以通過特定的命令幀格式對每個家庭智能網關下發實時控制和實時讀取命令。

（2）靜態和動態網頁信息發布。響應PC 以瀏覽器的方式登錄服務器，并響應其發出的讀取和控制命令并執行，實現用戶PC 瀏覽器方式的登錄、查詢、控制。

（3）提供接口監聽移動設備客戶端的連接。響應智能手機和Pad 客戶端的方式登錄服務器，并響應其發出的讀取和控制命令并執行，實現用戶不同地域、不同網絡下的登錄、查詢、控制。

2 無線通信系統設計方案分析

2.1 家庭內部網絡中傳送信息方案設計

2.1.1 內部控制網絡系統信息設計

內部控制網絡系統的主要功能是實現家庭網絡與內部通信控制網絡的其他信息之間的有效通信和互補。在這種特殊情況下，信息傳輸信息應主要是電氣控制和工具開關上的各種物理信息數據（如打開/關閉電視、照明等）信號，以及其他電子裝置和控制家用電器有關的電氣物理參數資料（如空氣濕度、溫度、不同程度的氣體等）。其特性定義了各種信號和傳輸速度的基本要求，但事實上這可能是為了一個更高層次上的信息和傳輸過程的可靠性。

2.1.2 多媒體信息設計

多媒體信息設計主要是關于網絡和用戶界面之間的交互。在這種情況下，設備包括PC、電視錄像機、數碼相機移動電話、固定電話、音頻等。主要應用是控制音頻、圖像和數字視頻信號，信息的傳輸和速度則需要有更高一級的速度水平，一般要求可達10 Mbps 及以上。至于數據傳輸本身的可靠性，對系統精度的要求不如實際控制信息的精度高。攝像機、數碼相機、各種移動電話、固定電話、音響系統設備等信號傳輸介質主要是各種音頻信號和數字視頻信號。信息對傳輸信號速度有很高的要求，一般可達10 Mbps 或更高。然而，就信息傳輸過程的穩定性和可靠性而言，其速度要求不如受控的信息傳輸速度高。

2.2 無線通信系統內置系統設計

內置的系統將軟件整合到硬件系統中，軟硬件是針對特定應用程序的內部目標計算機系統。隨著互聯網技術的發展，內置的技術可能比以往任何時候都多。小型軟件代碼、高度可靠性、系統有序、有針對性和相應的速度，并進一步得到廣泛的應用。內置的系統經常使用特定的特殊設備，它們非常敏感，有時是實時的，通常是非常有限的工具，比如處理器，存儲設備。特別是網絡技術的發展，廣泛傳播，并提高內置系統的作用和效果。源代碼是公開的，每個人都可以免費下載，也可以通過自己的Linux 應用來改變，這是最受歡迎的操作系統。Linux 操作系統遵循GPL 協議，因此用戶不需要支付許可使用費，也可以使用互聯網應用軟件，用于許多源代碼。UClinux 是Lineo的主要產品，它為實現目標處理器、緊湊、和小型的Linux 系統而出現，可以在許多平臺上移植。穩定和良好的移植，支持更多的CPU 和英偉達的網絡功能等。這是一個很受歡迎的操作系統。內置的氣閘（中央控制器）是設計的核心內容，具有重要意義，其設計是關鍵作用。一個內置的艙門設計必須考慮到系統的穩定性和高度可靠性，保證系統的安全、維護、擴大和兼容性。設計平臺必須充分考慮內部資源和外部接口。

2.3 QT終端控制系統設計

由于QT 中的終端控制系統采用到了已經在整個ARM 開發板上都廣泛被使用得到的KT 接口，其中還使用了一個7英寸的屏幕，所以終端界面和終端服務器界面只能是在整個ARM 板上工作。因此，QT中必須要使用管道控制以做到盡可能地避免了TCP/IP 數據沖突。QT 終端：QT 控制模式在打開服務器時就會被自動啟動。一旦客戶選擇了模型，系統就會被扔在管道上，進入管道服務器，并將它們發送到服務器進行分析和處理數據，在QT 終端中介紹，并將其映射到網絡中。它們都是為數字系統開發的，并方便地將數據傳送到平臺上。管道服務器自動創建文檔，實時跟蹤管道，以獲取數據服務器數據。網頁和QT的數據流是相同的，相同的是TCP/IP，就像服務器一樣。

2.4 紅外信息技術設計

紅外信息技術是一個數據傳輸協議，這是傳統設備之間的替代品。通常在1m 范圍內，在紅外線范圍內，通信是近距離的紅外線。IrDA（紅外線）限制了在850 nm 到900 nm 范圍內使用紅外數據的波范圍。IrDAl 協議，然后是IrDAl。提高通信速度達到4 Mbps，在IrDA 達到16 Mbps 的最高速度。由于紅外線的傳輸沒有受到干擾和低成本，因此廣泛應用，主要是在家庭條件下，以及電子產品提供的紅外接口。然而，紅外線信號的無線傳輸時間是極為短暫且不均勻透明的，無法完全穿過墻向任何其他的房間發出任何遙控的信號，所以該技術也只適合用于控制無線傳輸和發送多媒體信息。高速無線傳播具有速度快、高帶寬、小容量電力、隱私、低成本和容量巨大等顯著優勢，然而，其高寬度加劇了UWB 系統對現有無線移動通信系統造成的干擾。由于其高速度，UWB 的數據傳輸性能非常適合應用在TV、PC、打印機、聲音、聲音、DC/DV 和其他的媒體上傳播多媒體信息。紅外技術則在一個超短傳播距離范圍內完全可以分別適應上述兩種媒體信息類型之間的處理,實現視頻監控、電子設備設計并確保這個系統有更高的兼容性和穩定。

3 系統軟件設計

3.1 整體設計流程

該門戶網站定期向服務器發送有關能源消耗和家用電器狀態的數據，并將其存儲在數據庫中，該庫保存所有家用設備的歷史記錄總體系統工作流程（見圖2）。

圖2 系統整體工作流程

（1）用戶登錄：用戶輸入您的家庭用戶名和密碼，通過網絡連接到服務器的代碼，服務器接收到用戶憑據之后讀取數據庫標識返回客戶或搜索用戶合法性有關成功連接設備的信息。

（2）全部讀取有關電力或特定電器的歷史信息：成功連接后，用戶可以決定讀取不同階段服務器交換機歷史記錄，并從數據庫導出并返回到計算機（瀏覽）。

（3）用戶發出設置命令、讀取實時信息或實時檢查電器：成功后，您可以為家庭門戶設置相關參數，當收到命令時，服務器會通過網格將其發送到相應的用戶門戶。

下載后，在保存設置信息的同時驗證用戶名和密碼，用戶可以請求或訪問自己家庭插座的實時信息進行控制：服務器實時接收到命令后，將其轉發到相應的門戶，在門戶中找到相應的插槽并運行，通過服務器將結果返回給用戶。

3.2 智能手機和Pad客戶端軟件流程

程序啟動后，首先加載軟件所需的圖片資料等資源，然后顯示用戶登錄界面。此時，用戶可以選擇進入設置服務器IP 地址和端口的界面。設置成功后，按確認鍵返回用戶登錄界面。用戶填寫其家庭的用戶名和密碼，然后單擊登錄。服務器驗證成功后，軟件自動連接到服務器，此時軟件會自動從服務器下載并顯示用戶當天的家庭總用電量信息，可以選擇在成功登錄后查詢總用電量的歷史信息。用戶可以點擊按鈕選擇插座（控制或查詢任何插座）功能，軟件將連接到服務器下載用戶家中的所有智能插座信息并顯示在列表中，用戶可以選擇智能插座同時查詢任何歷史用電量信息和當日用電量信息，該界面提供了用戶選擇的插座的狀態信息和控制按鈕。用戶單擊此按鈕，軟件將連接到服務器以發送請求。在服務器找到指定網關下的套接字進行控制后，它會將結果返回到用戶界面（圖3）。

圖3 智能手機客戶端軟件流程

4 系統運行與測試

文章所討論的系統經過設計和調試，已經在實際場景中進行了測試。長期實踐證明，系統能夠完成以下功能，性能可靠穩定。

（1）實時控制任何家用電器的工作狀態。

（2）實時查詢家庭總用電量、各電器用電量、各電器實時狀態。

（3）查詢歷史用電量信息對每臺家電的使用頻率、工作效率和工作能耗有直觀的概念，對每臺家電的高效使用起到了支撐作用。

5 結語

介紹了一個基于無線寬帶通信技術的智能家居系統的完整硬件方案設計，包括對每個系統各部分的具體硬件組成和完整軟件的操作流程的分析。測試和運行效果表明，實現了基于無線通信網絡技術、廣泛應用于電力線網絡載波通信技術的新一代智能家居應用系統?；趧撔录夹g與以人為本的科學原理，人們可以在日常生活中更高效地管理和生活，滿足了現代科學技術飛速發展的社會需求，也證明了該系統具有巨大的優勢和市場前景。