摘要：近年來(lái)，智能家居憑借物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)迅猛發(fā)展，顯著提升了生活便利性，已然成為備受矚目的科技應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）技術(shù)相關(guān)工作原理，設(shè)計(jì)了基于FPGA 技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)家中環(huán)境信息，在遇到危急情況時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，用戶可借助手機(jī)等智能設(shè)備登錄控制系統(tǒng)查看信息并遠(yuǎn)程調(diào)控智能家居運(yùn)行方式，為用戶提供高質(zhì)量的服務(wù)體驗(yàn)，推動(dòng)智能家居行業(yè)邁向新臺(tái)階。

關(guān)鍵詞：FPGA；物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU855；TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

我國(guó)的智能家居產(chǎn)業(yè)起步較晚，但其迅猛的發(fā)展勢(shì)頭已經(jīng)引起廣泛關(guān)注。然而，市場(chǎng)上大多數(shù)的智能家居控制系統(tǒng)所采用的技術(shù)存在一定的不透明性，不同品牌設(shè)備互操作性差、用戶難以跨平臺(tái)管理，導(dǎo)致智能家居系統(tǒng)在使用過(guò)程中存在諸多限制和不便，進(jìn)而制約智能家居產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）技術(shù)憑借其硬件可重構(gòu)、并行計(jì)算能力強(qiáng)等特性，有效突破這些瓶頸，在智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。通過(guò)緊密結(jié)合智能家居的實(shí)際控制需求，充分利用FPGA 技術(shù)的靈活性和高性能特點(diǎn)，降低在智能家居控制系統(tǒng)中增加新設(shè)備的難度和復(fù)雜性，從而全方位地提升用戶的使用體驗(yàn)。

1 FPGA技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 工作原理

FPGA 是一種具有半定制特性的定制集成電路，與常規(guī)的可編程門電路相比，其在靈活性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。FPGA 主要由可編程邏輯單元、輸入/ 輸出（input/output，I/O）模塊和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)等組成。在操作過(guò)程中，通過(guò)小型查找表實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能。D 型觸發(fā)器（數(shù)字電路存儲(chǔ)元件）與這些查找表結(jié)合后，激活邏輯電路，從而形成基礎(chǔ)邏輯單元，這些單元通過(guò)金屬導(dǎo)線相互連接。FPGA 通過(guò)使用低壓差穩(wěn)壓器（low-dropout regulator，LDO）來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)電壓波動(dòng)的精確檢測(cè)。LDO 不僅確保了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還顯著減少了電源供電帶來(lái)的噪聲干擾，為系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。

1.2 FPGA 技術(shù)在智能家居控制系統(tǒng)開發(fā)中的核心支撐

1.2.1 穩(wěn)固的技術(shù)底層

FPGA 技術(shù)的底層硬件基礎(chǔ)是可編程的數(shù)字電路邏輯單元，其功能的實(shí)現(xiàn)則主要依賴專業(yè)的硬件描述語(yǔ)言。在編程語(yǔ)言方面，超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言（very-high-speed integrated circuithardware description language，VHDL）憑借嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范的語(yǔ)法體系和較強(qiáng)的可讀性，在軍工領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用。此外，大型智能家居企業(yè)則普遍采用Verilog語(yǔ)言（一種硬件描述語(yǔ)言）。作為FPGA 技術(shù)開發(fā)的核心編程語(yǔ)言，VHDL 和Verilog 語(yǔ)言的學(xué)習(xí)難度不高，技術(shù)人員可以在較短時(shí)間內(nèi)掌握語(yǔ)言特性及開發(fā)流程，從而熟練操作基于FPGA 技術(shù)的相關(guān)系統(tǒng)。

1.2.2 多元的開發(fā)工具

在設(shè)計(jì)研發(fā)基于FPGA 技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)時(shí)，技術(shù)人員面臨多種開發(fā)工具選擇。在搭建開發(fā)環(huán)境時(shí)，兩種開發(fā)工具Quartus 和ISE均可作為備選，它們?cè)诓僮髁鞒膛c模式上較為相似，能夠幫助技術(shù)人員高效完成環(huán)境搭建。在進(jìn)行FPGA 功能仿真操作時(shí)，Modelsim 是常用工具。技術(shù)人員可以綜合運(yùn)用這些工具，根據(jù)不同開發(fā)階段的實(shí)際要求，完成系統(tǒng)開發(fā)任務(wù)。

1.2.3 模塊化的開發(fā)模式

技術(shù)人員需要深入探究FPGA 既定的模塊開發(fā)模式，全方位熟悉電路設(shè)計(jì)的完整流程。通過(guò)這種方式，顯著提升系統(tǒng)的運(yùn)行速度，確保系統(tǒng)能夠以較快速度響應(yīng)各類指令，最終為用戶帶來(lái)流暢便捷的操作體驗(yàn)[2]。

1.2.4 關(guān)鍵的研究算法

算法作為控制系統(tǒng)的“智慧大腦”，直接影響系統(tǒng)對(duì)各類數(shù)據(jù)的處理精度與效率，進(jìn)而影響智能家居的智能化水平。因此，技術(shù)人員需高度重視算法的學(xué)習(xí)與鉆研，持續(xù)提升編程能力。

2 基于FPGA技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 硬件架構(gòu)搭建

2.1.1 FPGA 開發(fā)板選型與適配

本文綜合考量了多個(gè)關(guān)鍵因素，對(duì)市面上各類FPGA 開發(fā)板進(jìn)行選型。以賽靈思（Xilinx）公司的幾款主流開發(fā)板為例，Kintex-7 系列開發(fā)板具有高達(dá)53 000 個(gè)邏輯單元，可以為復(fù)雜的智能家居控制邏輯提供充足的運(yùn)算資源。在資源配置方面，Artix-7系列開發(fā)板擁有豐富的I/O 接口，數(shù)量約為500 個(gè)，這有利于連接不同的智能家居外設(shè)，當(dāng)連接智能門鎖、智能窗簾電機(jī)驅(qū)動(dòng)等設(shè)備時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)接口短缺的問(wèn)題。在接口類型方面，不同型號(hào)的開發(fā)板具有不同類型的接口，Spartan-6 系列開發(fā)板配備了多種高速串行接口，如USB3.0、PCIe 等，可滿足高清攝像頭數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)刃枨蟆?/p>

結(jié)合智能家居控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，具體包括對(duì)至少20 種不同類型智能家居設(shè)備的管控、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理以及預(yù)留5 ～ 10 個(gè)新設(shè)備接入的擴(kuò)展規(guī)劃，并且經(jīng)過(guò)對(duì)比評(píng)估，最終選定了Xilinx Artix-7 系列某款開發(fā)板，其具有運(yùn)算資源適中、可擴(kuò)展性好和成本效益優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。這款開發(fā)板的可擴(kuò)展性尤為突出，其板載預(yù)留了至少10 個(gè)通用擴(kuò)展接口，無(wú)論是新增智能空氣凈化器、智能香薰機(jī)等設(shè)備，還是后續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)性能升級(jí)，都能輕松通過(guò)這些接口完成硬件擴(kuò)展。

2.1.2 無(wú)線傳感器選型與布局

智能家居控制系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)多種物理量，因此無(wú)線傳感器的選型至關(guān)重要。在溫度監(jiān)測(cè)方面，系統(tǒng)選用高精度熱敏電阻式傳感器，其測(cè)量精度可達(dá)±0.2 ℃，能夠敏銳捕捉室內(nèi)溫度的細(xì)微變化，為用戶營(yíng)造舒適的恒溫環(huán)境。在濕度監(jiān)測(cè)方面，系統(tǒng)選用電容式濕度傳感器，其測(cè)量范圍覆蓋20% ～ 90%RH、測(cè)量精度可達(dá)±3% RH。無(wú)論是干燥的冬季，還是潮濕的雨季，該傳感器都能精準(zhǔn)反饋室內(nèi)濕度狀況。在光照強(qiáng)度監(jiān)測(cè)方面，系統(tǒng)選用光敏電阻傳感器，其靈敏度高達(dá)0.5 lx/V，可根據(jù)不同光照條件智能調(diào)節(jié)窗簾開合程度和燈光亮度。在有害氣體濃度監(jiān)測(cè)方面，系統(tǒng)選用電化學(xué)氣體傳感器，其對(duì)常見的甲醛、一氧化碳等有害氣體的檢測(cè)下限低至0.1×10-6，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的空氣質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

無(wú)線傳感器的布局需要考慮到監(jiān)測(cè)區(qū)域的特性，如在客廳這種開闊空間中，為確保信號(hào)均勻覆蓋且遮擋較少，將溫度傳感器、光照傳感器安裝在天花板中央附近，通過(guò)無(wú)線信號(hào)中繼技術(shù)，讓傳感器數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸；而在臥室空間中，將有害氣體傳感器放置于床頭附近，便于第一時(shí)間檢測(cè)睡眠環(huán)境中的空氣質(zhì)量，確保數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性與及時(shí)性[3]。

2.1.3 ZigBee 中心節(jié)點(diǎn)部署與優(yōu)化

ZigBee 技術(shù)采用的IEEE 802.15.4 通信協(xié)議，具備低功耗、自組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，能夠降低智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)備能耗，延長(zhǎng)電池壽命。該協(xié)議的理論最大傳輸速率可達(dá)250 kbit/s，滿足智能開關(guān)狀態(tài)反饋、智能溫濕度傳感器數(shù)據(jù)回傳等常規(guī)智能家居數(shù)據(jù)交互的需求。在組網(wǎng)能力方面，單個(gè)ZigBee 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可支持多達(dá)200 個(gè)終端設(shè)備入網(wǎng)，從而構(gòu)建龐大且穩(wěn)定的智能家居網(wǎng)絡(luò)?；谶@些特性，合理部署ZigBee 中心節(jié)點(diǎn)至關(guān)重要。例如，根據(jù)空間布局與信號(hào)衰減模型，在一個(gè)200 m3 的智能家居樣板間內(nèi)均勻布置了5 個(gè)ZigBee 中心節(jié)點(diǎn)，分別置于客廳、臥室、廚房、衛(wèi)生間和陽(yáng)臺(tái)等關(guān)鍵區(qū)域，從而確保無(wú)線信號(hào)全面覆蓋。在節(jié)點(diǎn)配置參數(shù)優(yōu)化方面，將發(fā)射功率調(diào)整至5 dBm，這既能保障信號(hào)傳輸距離，又能避免過(guò)度干擾周邊設(shè)備。信道選擇相對(duì)空閑的15 信道，減少同頻干擾。基于通用異步收發(fā)器（universal asynchronous receiver/transmitter，UART）接口的ZigBee 無(wú)線串口的工作頻率穩(wěn)定在2 430 Hz，工作電壓嚴(yán)格控制在3.0 ～3.3 V 的窄幅區(qū)間內(nèi)，保證穩(wěn)定供電，數(shù)據(jù)傳輸速率實(shí)測(cè)峰值可達(dá)3 000 bit/s。此外，其還內(nèi)置了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，使數(shù)據(jù)傳輸成功率長(zhǎng)期維持在98%以上，高效支撐了其與無(wú)線傳感器及其他智能家居設(shè)備的數(shù)據(jù)交互，形成了可靠的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)[4]。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 整體框架

智能家居控制系統(tǒng)具有復(fù)雜的功能，需控制包括燈光、家電、窗簾等在內(nèi)的至少15 種設(shè)備。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳遞路徑與處理流程涉及傳感器采集、FPGA 處理、上位機(jī)交互等多環(huán)節(jié)，同時(shí)用戶操作邏輯兼顧本地觸控、手機(jī)遠(yuǎn)程操控等多種模式。在設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)整體架構(gòu)時(shí)，需嚴(yán)格遵循模塊化、分層式的設(shè)計(jì)理念。將系統(tǒng)軟件劃分為底層驅(qū)動(dòng)層、中間邏輯處理層和上層用戶交互層。底層驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)FPGA 開發(fā)板的各類硬件資源，保障硬件穩(wěn)定運(yùn)行。中間邏輯處理層負(fù)責(zé)智能家居控制算法的實(shí)現(xiàn)，如智能場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)算法，根據(jù)時(shí)間、環(huán)境等多條件觸發(fā)不同設(shè)備協(xié)同工作。上層用戶交互層具有簡(jiǎn)潔直觀的界面，適配手機(jī)APP、智能中控屏等多種終端。各層之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口進(jìn)行通信，接口規(guī)范明確定義了數(shù)據(jù)格式、傳輸協(xié)議，確保系統(tǒng)軟件具備出色的模塊化特性。這確保了后續(xù)開發(fā)新功能模塊時(shí)，可以直接在對(duì)應(yīng)層級(jí)獨(dú)立開發(fā)，互不干擾，便于系統(tǒng)開發(fā)、維護(hù)與升級(jí)等。

2.2.2 功能模塊

（1）設(shè)備控制。設(shè)備控制模塊利用智能設(shè)備識(shí)別與驅(qū)動(dòng)算法和設(shè)備唯一的ID 碼，使系統(tǒng)能夠在0.5 s 內(nèi)識(shí)別接入的智能設(shè)備。無(wú)論是傳統(tǒng)紅外遙控家電，還是新興的藍(lán)牙智能燈具，系統(tǒng)均可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。該模塊還可以用于場(chǎng)景模式切換，系統(tǒng)預(yù)定義“回家”“睡眠”“離家”等8 種常用場(chǎng)景模式，用戶一鍵切換，系統(tǒng)瞬間聯(lián)動(dòng)至少5 種相關(guān)設(shè)備協(xié)同工作。例如，在“回家”模式下，系統(tǒng)可以自動(dòng)開啟燈光、調(diào)節(jié)空調(diào)溫度和打開窗簾。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析模塊通過(guò)搭建本地小型數(shù)據(jù)庫(kù)，可以存儲(chǔ)至少一個(gè)月的歷史環(huán)境數(shù)據(jù)。運(yùn)用數(shù)據(jù)分析算法，每周為用戶生成可視化的家居環(huán)境報(bào)告，如能耗趨勢(shì)、溫濕度變化曲線，輔助用戶優(yōu)化家居生活。

（3）用戶權(quán)限管理。采用多級(jí)別權(quán)限設(shè)置，區(qū)分管理員、普通用戶、訪客權(quán)限。管理員擁有系統(tǒng)全部的權(quán)限，可添加和刪除設(shè)備、修改系統(tǒng)配置；普通用戶僅能操控已授權(quán)設(shè)備；訪客僅允許查看部分公共區(qū)域設(shè)備狀態(tài)。系統(tǒng)通過(guò)加密令牌對(duì)用戶身份及權(quán)限進(jìn)行動(dòng)態(tài)驗(yàn)證，確保訪問(wèn)請(qǐng)求的合法性，保障系統(tǒng)安全[5]。

2.3 系統(tǒng)綜合測(cè)試

2.3.1 數(shù)據(jù)傳輸專項(xiàng)測(cè)試

本文模擬了智能家居控制系統(tǒng)在多種極端環(huán)境條件與高負(fù)載狀態(tài)下的數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景：①高溫高濕環(huán)境，如溫度為40 ℃、濕度為90% RH，模擬夏日暴雨后室內(nèi)潮熱工況；②低溫干燥環(huán)境，如溫度為-10 ℃、濕度為30% RH，模擬冬季室內(nèi)外溫差大且供暖不足的工況；③高負(fù)載壓力測(cè)試，如同時(shí)接入30 個(gè)智能設(shè)備并高頻傳輸數(shù)據(jù)，模擬家庭聚會(huì)時(shí)多人并發(fā)操控設(shè)備的極端場(chǎng)景。在此情境下，本文對(duì)無(wú)線傳感器的數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)向FPGA 開發(fā)板、ZigBee 中心節(jié)點(diǎn)以及上位機(jī)（如智能手機(jī)APP、智能家居中控平臺(tái)等）傳輸?shù)倪^(guò)程進(jìn)行了測(cè)試。利用專業(yè)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)工具，精準(zhǔn)捕捉傳輸過(guò)程中的每一個(gè)數(shù)據(jù)包，分析數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)的誤碼率低于0.01%，丟包率控制在0.005% 以內(nèi)，并且從傳感器采集到上位機(jī)顯示，數(shù)據(jù)傳輸延遲不超過(guò)0.5 s。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)工具一旦發(fā)現(xiàn)潛在的數(shù)據(jù)丟包、誤碼等傳輸故障，通過(guò)優(yōu)化信道編碼、調(diào)整傳輸功率、升級(jí)傳輸協(xié)議等手段，逐段優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸鏈路，保障系統(tǒng)在復(fù)雜工況下穩(wěn)定運(yùn)行[6]。

2.3.2 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)綜合測(cè)試

將經(jīng)過(guò)單獨(dú)調(diào)試的硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)進(jìn)行集成，全方位模擬用戶在實(shí)際智能家居使用場(chǎng)景中的各類操作行為，包括從用戶清晨起床，自動(dòng)拉開窗簾、播放輕柔音樂，到白天離家，一鍵關(guān)閉所有非必要電器、啟動(dòng)安防監(jiān)控，再到夜晚回家，燈光自動(dòng)亮起、空調(diào)調(diào)節(jié)至適宜溫度等全流程模擬。核驗(yàn)系統(tǒng)整體的功能完整性，要求所有預(yù)設(shè)功能成功率達(dá)99% 以上。結(jié)果顯示，在穩(wěn)定性方面，連續(xù)運(yùn)行72 h 后，系統(tǒng)無(wú)崩潰、無(wú)異常報(bào)錯(cuò)；在響應(yīng)及時(shí)性方面，用戶發(fā)出操作指令后，系統(tǒng)平均響應(yīng)時(shí)間控制在0.3 s 內(nèi)。針對(duì)測(cè)試過(guò)程中暴露的設(shè)備兼容性問(wèn)題，如個(gè)別智能音箱與系統(tǒng)音頻接口匹配異常、功能異常，以及智能插座遠(yuǎn)程控制偶爾失靈等問(wèn)題，技術(shù)人員迅速定位問(wèn)題根源，及時(shí)采取針對(duì)性修復(fù)措施，確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地投入實(shí)際應(yīng)用，為用戶提供良好的智能家居體驗(yàn)[7]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于FPGA 技術(shù)構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)，通過(guò)硬件架構(gòu)優(yōu)化與軟件分層設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了多設(shè)備協(xié)同控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理及高擴(kuò)展性目標(biāo)。在硬件層面，基于開發(fā)板平臺(tái)，采用ZigBee多節(jié)點(diǎn)部署解決信號(hào)覆蓋不均問(wèn)題，并通過(guò)UART接口優(yōu)化克服接口不足的限制。在軟件層面，通過(guò)模塊化分層架構(gòu)與加密令牌驗(yàn)證機(jī)制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備精準(zhǔn)管控及多級(jí)權(quán)限管理。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)在極端工況與高負(fù)載場(chǎng)景下的誤碼率低于0.01%，丟包率控制在0.005% 以內(nèi)。

隨著科技的持續(xù)進(jìn)步與創(chuàng)新，F(xiàn)PGA 技術(shù)有望在智能家居領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更為深度的融合與應(yīng)用拓展。通過(guò)動(dòng)態(tài)重構(gòu)特性與智能化算法相結(jié)合，F(xiàn)PGA 技術(shù)可以有效驅(qū)動(dòng)家居設(shè)備向自主決策與精準(zhǔn)調(diào)控方向演進(jìn)，開啟智能生活新篇章。

參考文獻(xiàn)

[1] 葛益軍. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 智能物聯(lián)技術(shù)，2024，56（ 3）：108-111.

[2] 席鳴階. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 長(zhǎng)江信息通信，2024，37（ 5）：83-85.

[3] 王俊迪. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居PLC 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 家電維修，2024（5）：68-70，64.[4] 孫威，汪璐. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 日用電器，2024（4）：50-54.

[5] 祖志立. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例分析[J]. 電子技術(shù)，2024，53（ 2）：390-392.

[6] 陳曦. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 [J]. 電子技術(shù)，2023，52（ 11）：399-401.

[7] 孟志剛，張園園. 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J]. 開封大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，37（ 1）：89-92.