智能家居系统设计方案

智能家居系统需要先进的信息技术的支持，物联网技术的发展推动了智能家居技术水平的提高。物联网中用到很多无线技术，这为基于无线的智能家居系统提供了很好的技术上的借鉴。同时，随着蓝牙小组（SIG）推出的旨在进军广阔的物联网领域的低功耗蓝牙，使得基于蓝牙的智能家居系统的研究有更多的现实意义和技术保障。基于上述情况，首先设计了一种基于无线的智能家居系统架构，并在此架构基础上设计了基于蓝牙技术的智能家居智能控制器的总体架构。

一、无线智能家居系统架构

物联网的架构体系层次一般分为三层，分别为感知层（信息感知网络）、网络层（网络通信基础设施）、应用层（应用服务支撑体系）。在物联网系统架构基础上，根据对智能家居信息通信过程的分析，本文设计了四层无线智能家居架构体系，从底层到上层分别为：感知层、局域网络层、广域网络层以及应用层，其结构如图1所示。

智能家居的感知层主要以各种感知技术作为支撑，并结合相应的控制技术完成感知和表达任务。感知层主要负责对家居内的智能家电信息、温湿度等环境信息及煤气浓度等安全信息进行识别和获取。

局域网络层主要采用无线传输的方式，如ZigBee、蓝牙等无线传输协议或者如IP地址等公开协议，将感知层采集的信息数据通过智能家居控制器发送的广域网络层。或者将智能家居控制器控制信息发送到感知层的设备控制器，从而完成控制任务。智能家居控制器是局域网络层的核心部分，负责家庭局域网络的互联、协议转换、设备监控、数据计算、数据加密等功能，同时又承担着与广域网络层信息交互等作用。

智能家居的广域网络层主要依靠现有的互联网和移动通信网将感知层的数据信息传送到需要信息数据的智能家居系统的应用上。一般可以采用移动网络的4G方式或者是以太网的方式与智能家居控制器实现信息数据交换。

物联网中的应用层主要功能是实现对物联网中的数据进行处理并应用。智能家居的应用层与之类似，是根据智能家居的不同业务功能或服务需要建立相应的应用业务系统。这些应用系统根据感知层采集的数据信息分析处理，之后做出决策并反馈给感知层，使其完成控制操作，从而实现智能家居的智能化控制。

二、无线智能家居应用与功能

通过与传统智能家居的功能的对比以及对无线智能家居特点的分析，无线智能家居应该具有家庭通信、家庭智能控制、家庭安防与监控、家庭环境环境监测与节能管理及提供如家庭购物、在线教育等管理功能。针对上述对无线智能家居的分析，本文设计的智能家居可以分为如下五个子系统：

（1）家庭安防监控与危险报警系统：能够对家庭内部的可燃气体浓度、烟雾浓度意外断电情况等进行检测；或者当主人不在家时，有陌生人入侵进行监控。如果发生上述危险，安防监控与危险报警系统就能向主人发出报警信号，从而保障家居环境的安全。该系统由包含门磁感应器、烟雾传感器、可燃气体探测器在内的各种智能探测器以及智能家居控制器组成。

（2）家庭环境信息监控系统：实现对室内家居的温度、空气湿度、以及阳光照射情况的信息数据进行搜集并呈现给用户，同时结合家庭设备控制系统和照明控制系统完成家居的智能化控制。该系统由温湿度探测器、光强传感器等众多探测器以及智能家居控制器组成。

（3）家庭设备控制系统：通过传感器得到的各种家庭环境信息或者用户的人为控制信息，利用智能插座、智能开关等设备达到对家庭内部的家电设备实现控制的目的。该系统由智能家居控制器、智能开关的终端设备以及智能家电组成。

（4）家庭照明控制系统：完成对家居内卧室灯光、客厅灯光等各种灯光的开关控制及亮度调节。系统应包含各种灯具、智能开关、调节器以及智能家居控制器。

（5）家庭访问控制系统：该系统能够为用户提供家居内部访问和远程访问两种方式来访问、控制管理智能家居的环境信息数据和对家居设备的控制。近距离的访问方式可以直接通过操作智能家居控制器完成；远程访问通过手机或者远端PC机的方式实现。

三、基于蓝牙的无线智能家居系统

无线智能家居的短距离的无线通信技术要求有很好的通信效率和稳定性、10~100米的通信距离、较低的使用成本以及较低的能耗。蓝牙小组（SIG）采用的蓝牙4.0标准主要特点就是低功耗，其目的就是达到物联网对于短距离通信技术的要求从而进入该领域。本文研究设计的基于蓝牙的无线智能家居系统结构如图2所示。按照功能划分，智能家居接入系统设备可以分为蓝牙传感器采集装置、智能家居控制器、智能家居设备控制装置及访问控制装置四部分。

蓝牙传感器采集装置由蓝牙通信模块搭载烟雾传感器、温湿度传感器等各种不同的传感器组成，传感器采集到的家庭环境的数据信息以及信息家电状态信息通过蓝牙通信模块发送给智能家居控制器。设备控制装备通过蓝牙模块接收智能家居控制器发送来的控制信号，完成对灯光、家电设备等家居设备的控制。智能家居控制器由核心的嵌入式系统搭载蓝牙模块组成，能够通过对传感数据信息进行计算和分析，做出控制操作命令，或者将数据信息通过屏幕显示出来。智能家居控制器可以实现家居内部的无线网络同外部的小区网络或Internet通信，从而实现用户通过远程Internet的方式访问智能家居控制器，控制和查询整个家居范围内的各种设备和信息数据。

四、基于蓝牙的智能家居控制器的总体方案设计

在上述无线智能家居系统中，智能家居控制器处于最重要的功能地位，它是家居内部网络的中央枢纽，也是家居内外实现通信的纽带。根据之前对无线智能家居系统的分析，智能家居控制器应该满足下述要求：

（1）低能耗智能家居控制器一般要求对家庭的安防与监控提供24小时不间断的服务，同时还要满足控制器的可移动性，所以要配备电池工作，这就要求家居控制器的功耗要尽量低；

（2）可靠性运行在智能家居控制器上的软件及硬件都应该安全可靠；

（3）可扩展性由于微电子以及计算机技术的高速发展，新设备、新功能及新业务层出不穷，所以要求智能家居控制器应有良好的可扩展性；

（4）用户界面简便友好现在使用者不仅仅只对智能产品的功能有比较高的需求，更希望自己使用的设备界面友好，操作简单方便。因此，智能家居控制器的用户界面应该友好简单、操作上方便易用；

应用于上述基于蓝牙的无线智能家居系统的架构基础上的智能家居控制器是一个具有蓝牙通信功能的嵌入式设备。在硬件方面，其处理器采用三星公司的S3C6410 ARM处理器，同时搭载了核心电路模块以及外围通信等模块。智能家居控制器通过Enternet接口与小区网络或互联网进行通信。在软件方面以Android操作系统为平台，根据不同的硬件模块设计相应的驱动程序，同时按照智能家居的远程控制及现场控制功能的需要在软件系统上搭建嵌入式Web服务器并设计实现相应的应用软件。图3展示了智能家居控制器的系统结构图。

其中采集装置中的收集获取的数据信息通过蓝牙通信模块传递给智能家居控制器，智能家居控制器中的蓝牙通信模块负责信息的接收和发送，并将信息传递给ARM处理器，ARM处理器负责信息计算处理。信息采集装置接入智能家居控制器的系统如图4所示。远程用户通过Internet浏览器以及互联网访问智能家居控制器。

总结

本文首先根据物联网体系结构提出了一种采用无线通信技术的智能家居体系结构，之后分析了无线智能家居应该具有的功能以及按照功能划分了之智能家居系统。针对蓝牙通信技术，研究分析了一种基于蓝牙技术的智能家庭接入系统以及方法。最后，在以上的智能家居系统的设计架构上，叙述了基于蓝牙的智能家居控制器的总体方案设计。

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