王向軍

(長沙學院計算機工程與應用數(shù)學學院，湖南 長沙 410022)

基于WIFI的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

王向軍

(長沙學院計算機工程與應用數(shù)學學院，湖南 長沙 410022)

智能家居在現(xiàn)代社會發(fā)展速度越來越快，將成為未來居家生活的重要組成部分.鑒于智能家居發(fā)展的未來前景，越來越多的企業(yè)投入開發(fā)智能家居系統(tǒng).在總結(jié)前人成果基礎(chǔ)上，以WIFI無線信息通信傳輸代替?zhèn)鹘y(tǒng)通信方式設(shè)計的一款智能家居系統(tǒng).介紹了該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)、客戶端軟件系統(tǒng)設(shè)計及性能測試要求.實踐表明，該系統(tǒng)操作簡單，且能實現(xiàn)了用戶遠程實時監(jiān)控和管理，可應用于智能家居領(lǐng)域.

智能家居；WIFI；軟件；系統(tǒng)設(shè)計

智能家居概念最早是由美國學者提出的，被稱為Smart Home.智能家居作為新興產(chǎn)業(yè)正在成為市場的新寵兒.國內(nèi)智能家居市場發(fā)展迅速，由于智能家居實現(xiàn)家電、家居生活、互聯(lián)網(wǎng)等有機結(jié)合，因此也被視為“互聯(lián)網(wǎng)+”影響下科技對社會一大重要影響.國內(nèi)已經(jīng)有不少企業(yè)投入巨資進入智能家居系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域.實現(xiàn)智能家居的關(guān)鍵技術(shù)是總線技術(shù)，通過該技術(shù)對家居住宅中的各類家電、通信、安防等設(shè)備實現(xiàn)智能管理與監(jiān)控[1].隨著科學技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代智能家居是居家住宅為平臺，以家中各種設(shè)備為控制對象，應用計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、通信技術(shù)等技術(shù)構(gòu)建的家居智能控制系統(tǒng).智能家居是實現(xiàn)生活智能化的關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)的實現(xiàn)由硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)兩部分構(gòu)成.

1 基于WIFI的智能家居系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 基于WiFi的智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于WIFI技術(shù)應用需要，對于對系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進行科學設(shè)計是關(guān)鍵.基于WIFI的智能家居系統(tǒng)工作原理是通過手機、電腦等設(shè)備收發(fā)無線控制信號，利用各類基于信號收發(fā)功能的傳感器設(shè)備控制智能插座從而達到對家居設(shè)備的遠程實時控制[2].為實現(xiàn)該功能，提出基于WIFI的智能家居硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1

在該智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，通過增加WIFI、3G無線通信方式，使系統(tǒng)智能化程度更高.WIFI通信技術(shù)有效解決了傳統(tǒng)有線通信需要布置復雜線路的問題.綜合了無線技術(shù)、云計算技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的WIFI通信技術(shù)成為智能家居控制系統(tǒng)信號收發(fā)的首先技術(shù).3G無線通信技術(shù)則實現(xiàn)了家居智能遠程控制，而且是非常安全的通信技術(shù).該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計還需要解決一個關(guān)鍵問題，就是WIFI智能插座的設(shè)計.WIFI智能插座是實現(xiàn)用戶通過WIFI控制插座繼而控制家電設(shè)備的關(guān)鍵控制工具.

圖2 WIFI智能插座設(shè)計

WIFI智能插座結(jié)構(gòu)中，串口WIFI模塊是信號收發(fā)及控制插座開關(guān)的功能部分.該WIFI智能插座的設(shè)計引入了TCP/IP協(xié)議，因此還科研實現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)的Internet網(wǎng)絡(luò)接入功能，這種能夠隨意轉(zhuǎn)換的功能大大增加了智能插座的應用范圍.

2 基于WIFI的智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能家居結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，用戶通過Internet網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對智能家居的有效控制.另外，為適應現(xiàn)代社會用戶的使用需求，設(shè)計能夠安裝在智能手機上的客戶終端，更能提升用戶的使用體驗.根據(jù)設(shè)計需要，提出智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計，如圖3.

控制系統(tǒng)的設(shè)計是整個智能家居系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié).控制系統(tǒng)是用戶操作的終端，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性直接決定了系統(tǒng)的客戶使用體驗，對智能家居系統(tǒng)的廣泛推廣有著決定性影響.本文提出的智能家居控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計充分滿足客戶使用智能手機的習慣，將控制系統(tǒng)終端安裝在客戶手機上后就可以實現(xiàn)客戶對家居電器的智能控制.從設(shè)計原理來看，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)硬件與硬件、硬件與軟件之間的有效聯(lián)系.作為智能家居系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，控制系統(tǒng)的設(shè)計還需要實現(xiàn)用戶對家居電器的高效控制[3].這些控制有時候甚至是超越空間、時間的控制.為了滿足這樣的使用要求，通過智能手機的3G/4G網(wǎng)絡(luò)能夠輕松實現(xiàn)用戶連入Internet服務器，就實現(xiàn)了用戶跨時間、跨空間的遠程智能控制.對于用戶發(fā)出的控制指令，能否對家電真正產(chǎn)生控制作用，基于WIFI技術(shù)的控制系統(tǒng)在其中發(fā)展了重要作用.在傳統(tǒng)的智能家居控制設(shè)計中，由于沒有成熟的WIFI技術(shù)，致使智能家居系統(tǒng)設(shè)計過程中一直難以有效實現(xiàn)軟件對硬件的有效控制[4].得力于WIFI技術(shù)的發(fā)展，以WIFI技術(shù)為基礎(chǔ)，以WIFI智能插座、智能傳感器為媒介，實現(xiàn)了用戶對智能電器控制系統(tǒng)的精準控制.中央處理器在智能家居控制系統(tǒng)中扮演了用戶指令轉(zhuǎn)化的重要功能[5].用戶發(fā)出的指令傳遞到中央處理器，通過中央處理器的分析處理轉(zhuǎn)化為能夠識別WIFI控制指令，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)控制指令的順利傳遞.

3 基于WIFI的智能家居客戶端軟件系統(tǒng)設(shè)計

完成了WIFI智能家居系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，就需要設(shè)計相適應軟件系統(tǒng).軟件系統(tǒng)的設(shè)計主要是實現(xiàn)用戶對家居的智能控制.基于家居智能的使用特點，智能家居軟件系統(tǒng)的設(shè)計需要滿足方便、易操作的使用目標[6].結(jié)合目前智能手機的使用情況，設(shè)計出能在手機上操作的APP控制系統(tǒng)更能提升廣大客戶的使用體驗.基于應用需要，提出了基于WIFI智能家居系統(tǒng)配套使用的APP軟件系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4.

圖4 基于WIFI智能家居APP功能模塊設(shè)計

APP功能模塊的設(shè)計滿足了用戶在手機上操作和管理家居各種設(shè)備的需要.報警設(shè)置模塊起到了對家居各種設(shè)備的監(jiān)控管理作用，使用戶無論身居何地，都能實施實現(xiàn)對家居各種設(shè)備的遠程監(jiān)控.信息瀏覽模塊滿足了用戶對家居設(shè)備信息的實時查閱需要.定時設(shè)置是家居各種設(shè)備管理的有效工具.無線通信模塊實現(xiàn)了用戶客戶端與家居智能系統(tǒng)的連接通信功能.數(shù)據(jù)庫模塊是整個系統(tǒng)的中央處理數(shù)據(jù)庫，通過該數(shù)據(jù)庫的建立實現(xiàn)家居設(shè)備控制管理智能化.該APP最終的實現(xiàn)依賴軟件編程來完成.基于WIFI的智能家居系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計過程中，設(shè)計了專門的中央處理器.中央處理器是讀取通信數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行解析，轉(zhuǎn)化為WIFI智能插座能夠看懂的數(shù)據(jù)信號，實現(xiàn)對家居設(shè)備的控制操作.目前中央處理器通常采用QML語言編寫.中央處理器的存在實現(xiàn)軟件與硬件結(jié)構(gòu)的信息交互，最終完成了智能化管理過程.

依據(jù)APP功能模塊的設(shè)計，對用戶端使用客戶端界面的設(shè)計，如圖5.

圖5 客戶端操作界面設(shè)計

客戶端操作界面的設(shè)計需要重視并體系智能家居系統(tǒng)人性化服務的設(shè)計理念.因此在客戶端操作界面設(shè)計中，強調(diào)簡潔、清晰的設(shè)計需要.另外，作為一款智能家居系統(tǒng)控制終端，還需要滿足不同人群的使用需求和使用喜好.客戶端操作界面的設(shè)計直接決定了用戶的使用體驗，對整個智能家居系統(tǒng)的推廣有著極為重要的影響力.圖5提出的客戶端操作界面設(shè)計是基于社會調(diào)研，通過與用戶面對面的溝通最后確定的設(shè)計方案.該方案的特色就是非常簡潔.無論老人、年輕人，通過登錄界面就可以輕松登錄控制系統(tǒng).進入控制系統(tǒng)，用戶只需要輕松點擊家電控制界面就可以進行家電智能控制管理了.設(shè)置界面功能的設(shè)計主要是滿足用戶個性化使用需要設(shè)計的功能.用戶在使用過程中還可以根據(jù)自己喜好，對界面進行一些個性化設(shè)計，例如：界面背景顏色、保密設(shè)置、系統(tǒng)亮度設(shè)置等等.

4 性能測試

基于WIFI的智能家居系統(tǒng)設(shè)計完成以后，還需要進行全面的性能測試.通過智能家居系統(tǒng)硬件、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)等全面的設(shè)計，構(gòu)建了基于WIFI技術(shù)的智能家居系統(tǒng).該系統(tǒng)實現(xiàn)了用戶對家居電器的智能遠程控制，使生活更加舒適.智能家居的理念被提出已經(jīng)有很多年了.智能家居系統(tǒng)的設(shè)計是實現(xiàn)智能家居理念至關(guān)重要的環(huán)節(jié).WIFI技術(shù)的發(fā)展的智能家居系統(tǒng)設(shè)計發(fā)展有著決定性影響，是智能家居系統(tǒng)更加安全、高效.基于理論提出的設(shè)計理念最終被廣泛推廣應用，還需要對系統(tǒng)進行全面的性能測試.系統(tǒng)性能測試的目的，一方面確保系統(tǒng)設(shè)計的功能能夠充分發(fā)揮作用；另一方面，全面的性能測試還能有效評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性.由于系統(tǒng)在應用中需要應對更加復雜的使用環(huán)境和使用條件，只有經(jīng)過全面的性能測試，才能真正適應市場滿足廣大群眾的使用需要.

測試的重點是測試手機通過WIFI無線網(wǎng)絡(luò)與中央控制器的通信.在測試手機連入中央控制器之前，先要測試中央控制器與家庭網(wǎng)關(guān)的聯(lián)入情況.ARM 開發(fā)板上進入root目錄下，ping無線路由器的IP地址192.168.1.1，結(jié)果如圖6，證明中央控制器連入家庭網(wǎng)關(guān).

圖6 中央控制器與家庭 WIFI 無線網(wǎng)絡(luò)連通圖

為了測試手機控制家居的效果，在距離測試家居10公里外通過手機登錄家家居控制系統(tǒng)并發(fā)動控制指令，測試運行的服務器數(shù)據(jù)傳輸程序.結(jié)果證明手機軟件與中央控制器實現(xiàn)通信.

對家居智能系統(tǒng)的性能測試要滿足信號傳輸穩(wěn)定、安全、準確的要求，系統(tǒng)的各種家居設(shè)備的控制要靈敏有效.此次智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計的測試家電以電冰箱、洗衣機、微波爐、電視機、監(jiān)控器等電器為主.對于使用過程中可能出現(xiàn)的某個設(shè)備異常能夠及時預警.在滿足以上測試要求后，才是一套具有市場投放價值的智能家居系統(tǒng).本文對系統(tǒng)的性能測試由兩方面組成.一方面是基于實驗條件，對智能家居系統(tǒng)軟件進行各項功能測試.測試過程中設(shè)置一些影響因素，判斷系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性.另一方面，在系統(tǒng)廣泛推廣前進行必要的系統(tǒng)市場檢測.要求不同年齡、不同區(qū)域的用戶進行系統(tǒng)使用檢測.通過用戶的使用真實反映系統(tǒng)存在的不穩(wěn)定因素.最后，系統(tǒng)通過性能測試被廣泛推廣后還需要保留端口用于收集用戶的使用反饋，為系統(tǒng)優(yōu)化升級積累豐富經(jīng)驗.系統(tǒng)通過測試后就可投入使用.

5 總結(jié)

基于WIFI的智能家居系統(tǒng)設(shè)計是當前熱門的設(shè)計課題.本文提出的智能家居系統(tǒng)設(shè)計就是滿足WIFI使用需要，借助WIFI實現(xiàn)智能控制指令的有效傳輸，滿足家居智能化服務需要.從該系統(tǒng)的設(shè)計可以肯定WIFI技術(shù)對智能家居技術(shù)發(fā)展的重要性.當然，本文提出的智能家居系統(tǒng)是市場應用中還將面臨新的問題，基于市場需要不斷優(yōu)化該系統(tǒng)才能適應市場發(fā)展需要.

[1]南春輝.基于Web技術(shù)的嵌入式智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].電視技術(shù),2013,(3):86-89.

[2]曹夢龍,鄒云東.基于Internet和GSM的智能家居網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電視技術(shù),2014,(3) :73-75.

[3]陳剛,付蔚,羅志勇.基于IEEE 802.15.4E的智能家居家電控制系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].電視技術(shù),2012,(24) :23-25.

[4]朱欣穎,陳曦.基于WIFI智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].智能計算機與應用,2014,(6):80-82.

[5]鄭希,王一甲,周金治.基于WiFi的智能家居系統(tǒng)設(shè)計[J].微型機與應用,2016,(7):67-68.

[6]董思喬,趙榮建,孫通.基于WiFi構(gòu)建的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電視技術(shù),2015,(4):89-91.

(作者本人校對)

Design of Smart Home System Based on WIFI

WANG Xiangjun

(College of Computer Engineering and Applied Mathematics, Changsha University,Changsha Hunan 410022, China)

Smart home, which is developing faster and faster in the modern society, will become an important part of the future home life. In view of the future prospects of smart home development, more and more enterprises invest in the development of smart home system. On the basis of summing up the achievements of previous people, a smart home system is designed with WIFI wireless information communication transmission instead of traditional communication. The hardware structure design, control system, client software system design and performance test requirements of the system are introduced. The practice shows that the system is simple to operate, can achieve user remote real-time monitoring and management, and can be applied to the field of smart home.

smart home; WIFI; software; system design

2016-10-21

長沙市科技局資助項目(計劃編號：k1509018-11).

王向軍(1979— )，男，黑龍江哈爾濱人，長沙學院計算機工程與應用數(shù)學學院講師，碩士.研究方向：智能家居.

TP39

A

1008-4681(2017)02-0051-03