中國(guó)信息通信研究院 盧知白 董恩然 鄭夢(mèng)瑄 于博洋 余雪飛

短距離無線通信技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用

中國(guó)信息通信研究院 盧知白 董恩然 鄭夢(mèng)瑄 于博洋 余雪飛

【摘要】隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)于家居生活的要求逐漸向智能化、多樣化發(fā)展，為了滿足人們的生活需求，智能家居的概念被提出，在信息時(shí)代下，如何利用短距離無線通信技術(shù)將家居生活中各種與信息相關(guān)的通訊設(shè)備、家用電器等設(shè)備進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)異地的監(jiān)測(cè)和控制，在滿足人們基本家居需求的前提下，實(shí)現(xiàn)智能家居的生活方式。

【關(guān)鍵詞】短距離無線通信技術(shù)；智能家居；應(yīng)用

在信息時(shí)代下，生活方式發(fā)生變革，人們對(duì)于生活環(huán)境和家居要求提高，人們希望自己的生活環(huán)境是具有高度安全性和舒適性，伴隨著生活節(jié)奏的加快，精神壓力普遍增大，人們希望家居生活是智能化、多樣化，來滿足自身多層次的需求，家居已經(jīng)不只停留在生理需求層次，正在努力滿足人們的發(fā)展需求和精神需求。如何通過短距離通信技術(shù)優(yōu)化智能家居控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制家居生活，使居生活更加智能化，成為智能家居領(lǐng)域思考的重要問題。

1.智能家居系統(tǒng)和家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)分析

1.1 智能家居系統(tǒng)分析

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)于家居的認(rèn)知不再停留于簡(jiǎn)單的生存需求，希望家居更加宜人，“智能家居”的理念得到提出，智能家居依托電子通信技術(shù)，將和家居系統(tǒng)有關(guān)的子系統(tǒng)進(jìn)行集合，再憑借家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能控制和管理，來使用戶獲得全新的居家體驗(yàn)。

智能家居系統(tǒng)符合人體工程學(xué)原理，遵循“以人為本”的理念，智能家居系統(tǒng)由家居布線系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能家居（中央）控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)、背景音樂系統(tǒng)、家庭影院與多媒體系統(tǒng)、家庭環(huán)境控制系統(tǒng)等八大系統(tǒng)組成，其中智能家居系統(tǒng)又根據(jù)是否為必要組成部分，將八大系統(tǒng)劃分為必備系統(tǒng)和可選系統(tǒng)，嚴(yán)格來說，只有智能家居系統(tǒng)控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng)因?yàn)閷儆诒貍湎到y(tǒng)，可以直接稱之圍智能家居。

智能家居是相對(duì)于傳統(tǒng)家居來講更加安全、節(jié)能、智能、便捷、舒適，因?yàn)橹悄芗揖右劳须娮油ㄐ偶夹g(shù)將各個(gè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)整合，所以更加可靠，可以實(shí)現(xiàn)全天的運(yùn)轉(zhuǎn)，更加實(shí)用，滿足住戶的居住習(xí)慣，便于應(yīng)付各種環(huán)境的變化。

1.2 家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分析

信息時(shí)代下，“家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”概念是建立在互聯(lián)網(wǎng)普及和通信技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，家庭網(wǎng)絡(luò)可以將計(jì)算機(jī)、信息家電、照明系統(tǒng)、安全報(bào)警系統(tǒng)在家庭范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)整合，家庭網(wǎng)絡(luò)可以接入廣域網(wǎng)，幫助住戶實(shí)現(xiàn)異地的監(jiān)測(cè)和管理。

家庭網(wǎng)絡(luò)接入廣域網(wǎng)的方式有以太網(wǎng)、ADSL、FTTH、有線電視光纜接入等，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和考慮經(jīng)濟(jì)性，寬帶接入這種捆綁方式日益流行，因?yàn)閷拵Ы尤胝谡险Z言、視頻、數(shù)據(jù)三重服務(wù)的整合，所以隨著寬帶的普及，用戶可以獲得涵蓋家庭范圍內(nèi)的娛樂、通信、數(shù)據(jù)等服務(wù)。

家庭網(wǎng)絡(luò)需要住戶家庭內(nèi)建立有一定的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)措施，為了確保能夠提高信息的吞吐量和傳輸數(shù)據(jù)的質(zhì)量，需要提供QoS，來確保信息傳輸過程的順暢性。

2.智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件和硬件設(shè)計(jì)

2.1 智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能家居控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要停留在單片機(jī)主程序設(shè)計(jì)和中斷程序設(shè)計(jì)。

單片機(jī)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品智能化和工業(yè)自動(dòng)化，單片機(jī)主要采用嵌入式的設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集和傳輸，主機(jī)上電復(fù)位后進(jìn)行初始化，智能家居控制系統(tǒng)是通過模塊操作實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)主機(jī)對(duì)GSM模塊不斷掃描，通過對(duì)接收到的用戶短信進(jìn)行處理分析，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，通過紅外模塊相分機(jī)傳輸數(shù)據(jù)命令，等到分機(jī)的信息反饋，在規(guī)定時(shí)間不能得到信息反饋，主機(jī)的狀態(tài)返回到掃描狀態(tài)。

中斷程序的設(shè)計(jì)主要是建立在通過對(duì)單片機(jī)對(duì)于繼電器進(jìn)行判斷進(jìn)而做出控制的基礎(chǔ)上的，繼電器是利用P1輸出口的高低電壓差來控制繼電器的開合狀態(tài)。繼電器本身運(yùn)行溫度是相對(duì)固定的，因?yàn)槔^電器溫度降低后，會(huì)自動(dòng)掉電，需要保持保持室內(nèi)溫度的恒定，從而保持控制電壓恒定，繼電器線圈的二極管產(chǎn)生的反電勢(shì)，來防止室內(nèi)溫度的干擾。

2.2 智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能家居控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是為了使軟件設(shè)計(jì)能夠發(fā)揮作用，所有必須重視智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

智能家居的控制系統(tǒng)需要選用合適的主處理器，因?yàn)榧揖又行畔⒌耐掏铝坎⒂猩a(chǎn)的巨大數(shù)量，并且處于經(jīng)濟(jì)性的考慮我們選用合適的單片機(jī)；硬件設(shè)計(jì)還需要選用合適的模塊框架結(jié)構(gòu)，框架模塊結(jié)構(gòu)主要由GPRS模塊和ZIGBEE模塊，GPRS模塊的選用應(yīng)該考慮到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)成本，為了節(jié)省空間，采用插槽代替排線，這樣就可以將其懸空放置，不占用PCB面積的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的。ZIGBEE模塊單個(gè)芯片上整合了ZIGBEE射頻前端、內(nèi)存和微控制器，我們?cè)趯?shí)際的硬件設(shè)計(jì)中應(yīng)該充分考慮電流對(duì)于控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的損耗。

3.智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

智能家居是為了使生活更加智能化，提高生活的質(zhì)量，智能生活的實(shí)現(xiàn)即智能家具控制系統(tǒng)控制其他系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，通過上面的論述，我們可知智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)只是智能家居的一部分，通過通信技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)異地的對(duì)家具生活的監(jiān)測(cè)和控制，人們可以依靠手機(jī)客戶端或其他端口對(duì)家庭由wifi連接的全部設(shè)備實(shí)現(xiàn)集中控制，根據(jù)人為命令和自動(dòng)化操作能夠?qū)崿F(xiàn)智能照明，智能電器，智能遮陽(yáng)，節(jié)能控制，遠(yuǎn)程抄表等情景下的工作。智能家居的智能化操作包括人為命令的執(zhí)行和自動(dòng)化系統(tǒng)操作，但是無論各種命令，本身的工作運(yùn)行原理都是一致的。智能家居控制系統(tǒng)由主機(jī)和單機(jī)兩部分構(gòu)成，主機(jī)和單機(jī)的分工明確，主機(jī)主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算并做出邏輯命令，單機(jī)主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和傳輸以及邏輯命令的執(zhí)行。在智能家居中，有眾多的傳感器，包括溫度傳感器、濕度傳感器、光線傳感器、門磁傳感器等，通過眾多的傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境中溫度、濕度、光線情況、門磁閉合情況進(jìn)行感知，并將傳感器獲得的信息通過通信線路進(jìn)行傳輸，傳輸至主機(jī)的處理器中，處理器通過計(jì)算元進(jìn)行邏輯運(yùn)算，通過分析做出邏輯命令，并再次通過通信線路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，命令的執(zhí)行通過單片機(jī)來完成，從而實(shí)現(xiàn)情景模式下工作的創(chuàng)建。

我們通過對(duì)智能照明的完成來加深對(duì)智能家居控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的理解。通過對(duì)周圍環(huán)境的光線情況進(jìn)行感知，通過通信線路將光線情況傳輸至中央處理器，中央處理器進(jìn)行邏輯運(yùn)算并做出光線具體的調(diào)節(jié)方案，通過智能面板，將邏輯命令傳輸至處理器的單片機(jī)，通過單片機(jī)進(jìn)行繼電器的控制，因?yàn)橹悄苷彰骶€路采用弱電控制方式，而智能面板做出的邏輯命令在經(jīng)過解碼后，強(qiáng)電驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的控制線路，完成燈控的回道路接通或斷開，完成光線的調(diào)節(jié)！智能照明模塊包括手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、面板控制、模板控制，進(jìn)行具體的光線調(diào)節(jié)需要多種工作方式的結(jié)合，因?yàn)楣饩€的調(diào)節(jié)需要多個(gè)照明設(shè)備的系統(tǒng)操作，單一進(jìn)行某種線路的閉合不能完成光線調(diào)節(jié)的目的。

智能家居控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)是通過模塊實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)具體的情景對(duì)應(yīng)不同的模塊，比如智能照明對(duì)應(yīng)了智能照明模塊，我們需要進(jìn)行模塊的系統(tǒng)化操作，智能家居控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)建立在通信技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了家庭網(wǎng)和廣域網(wǎng)了解，完成具體情景下的操作！

4.結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)于家居的觀念得到轉(zhuǎn)變，家居不應(yīng)該只是單純滿足自然需求，我們需要從家居中緩和緊張的生活壓力，使內(nèi)心獲得一種滿足感。通過智能家居控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居的管理，我們需要從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面出發(fā)，利用標(biāo)準(zhǔn)化程序交換信令結(jié)合軟件編程，實(shí)現(xiàn)語音界面及安全認(rèn)證體制，優(yōu)化硬件和軟件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，提高家居和住戶的交互能力，讓家居生活更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化。

參考文獻(xiàn)

［1］劉希庭.GPRS與ZIGBEE組合在智能家庭系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.科技傳播，2011，（15）∶179，171.

［2］李成大，張京，倪繼烈等.基于ZIGBEE無線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)［J］.電訊技術(shù)，2007，47（5）∶63-66.

［3］張周，周劍揚(yáng)，閆沫等.ZIGBEE在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2006，19（12）∶7-9.

作者簡(jiǎn)介：

盧知白（1984—），男，貴州貴陽(yáng)人，研究方向：短距離無線通信。