王玉權(quán)，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(tǒng)架構(gòu)

基于無線通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)按功能可分為服務(wù)器、移動(dòng)設(shè)備客戶端、智能網(wǎng)關(guān)和智能插座。按結(jié)構(gòu)可分為室內(nèi)部分、室外部分和服務(wù)器部分。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

1.1 室內(nèi)部分

室內(nèi)部分主要包括智能網(wǎng)關(guān)和智能插座。用電器直接插在智能插座上運(yùn)行，智能插座對(duì)其用電量進(jìn)行計(jì)量，并采集其電壓、電流和功率等信息。智能網(wǎng)關(guān)一端接網(wǎng)線與服務(wù)器通信，一端通過電力線載波通信技術(shù)與室內(nèi)所有插座通信，收集智能插座的開關(guān)狀態(tài)和用電數(shù)據(jù)，定時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器，服務(wù)器通過特定的命令格式對(duì)智能網(wǎng)關(guān)下發(fā)實(shí)時(shí)控制或讀取命令，智能網(wǎng)關(guān)收到命令后通過電力線載波通信技術(shù)發(fā)送給指定智能插座以執(zhí)行，并將結(jié)果返回給服務(wù)器。電力線載波通信技術(shù)是利用現(xiàn)有電力線，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)，既經(jīng)濟(jì)又十分可靠。

1.2 室外部分

為了實(shí)現(xiàn)用戶可以隨時(shí)隨地在任意一種網(wǎng)絡(luò)下對(duì)自己家庭所有用電器的監(jiān)控，除了可以通過PC 瀏覽器方式登錄服務(wù)器外，還針對(duì)智能手機(jī)提供了一款客戶端軟件。用戶可以選擇PC 方式或智能手機(jī)客戶端的方式登錄服務(wù)器獲取自己家庭中的每個(gè)用電器的工作情況和用電量等信息，并可對(duì)其進(jìn)行控制。

1.3 服務(wù)器部分

服務(wù)器實(shí)現(xiàn)以下功能。

（1）提供接口監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。服務(wù)器對(duì)所有連接的家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行響應(yīng)，并將其上傳的定時(shí)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)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(wù)器還可以通過特定的命令幀格式對(duì)每個(gè)家庭智能網(wǎng)關(guān)下發(fā)實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)讀取命令。

（2）靜態(tài)和動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁信息發(fā)布。響應(yīng)PC 以瀏覽器的方式登錄服務(wù)器，并響應(yīng)其發(fā)出的讀取和控制命令并執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)用戶PC 瀏覽器方式的登錄、查詢、控制。

（3）提供接口監(jiān)聽移動(dòng)設(shè)備客戶端的連接。響應(yīng)智能手機(jī)和Pad 客戶端的方式登錄服務(wù)器，并響應(yīng)其發(fā)出的讀取和控制命令并執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)用戶不同地域、不同網(wǎng)絡(luò)下的登錄、查詢、控制。

2 無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析

2.1 家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中傳送信息方案設(shè)計(jì)

2.1.1 內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信息設(shè)計(jì)

內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)部通信控制網(wǎng)絡(luò)的其他信息之間的有效通信和互補(bǔ)。在這種特殊情況下，信息傳輸信息應(yīng)主要是電氣控制和工具開關(guān)上的各種物理信息數(shù)據(jù)（如打開/關(guān)閉電視、照明等）信號(hào)，以及其他電子裝置和控制家用電器有關(guān)的電氣物理參數(shù)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(hào)和傳輸速度的基本要求，但事實(shí)上這可能是為了一個(gè)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(shè)計(jì)

多媒體信息設(shè)計(jì)主要是關(guān)于網(wǎng)絡(luò)和用戶界面之間的交互。在這種情況下，設(shè)備包括PC、電視錄像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)移動(dòng)電話、固定電話、音頻等。主要應(yīng)用是控制音頻、圖像和數(shù)字視頻信號(hào)，信息的傳輸和速度則需要有更高一級(jí)的速度水平，一般要求可達(dá)10 Mbps 及以上。至于數(shù)據(jù)傳輸本身的可靠性，對(duì)系統(tǒng)精度的要求不如實(shí)際控制信息的精度高。攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、各種移動(dòng)電話、固定電話、音響系統(tǒng)設(shè)備等信號(hào)傳輸介質(zhì)主要是各種音頻信號(hào)和數(shù)字視頻信號(hào)。信息對(duì)傳輸信號(hào)速度有很高的要求，一般可達(dá)10 Mbps 或更高。然而，就信息傳輸過程的穩(wěn)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(tǒng)內(nèi)置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

內(nèi)置的系統(tǒng)將軟件整合到硬件系統(tǒng)中，軟硬件是針對(duì)特定應(yīng)用程序的內(nèi)部目標(biāo)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)置的技術(shù)可能比以往任何時(shí)候都多。小型軟件代碼、高度可靠性、系統(tǒng)有序、有針對(duì)性和相應(yīng)的速度，并進(jìn)一步得到廣泛的應(yīng)用。內(nèi)置的系統(tǒng)經(jīng)常使用特定的特殊設(shè)備，它們非常敏感，有時(shí)是實(shí)時(shí)的，通常是非常有限的工具，比如處理器，存儲(chǔ)設(shè)備。特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，廣泛傳播，并提高內(nèi)置系統(tǒng)的作用和效果。源代碼是公開的，每個(gè)人都可以免費(fèi)下載，也可以通過自己的Linux 應(yīng)用來改變，這是最受歡迎的操作系統(tǒng)。Linux 操作系統(tǒng)遵循GPL 協(xié)議，因此用戶不需要支付許可使用費(fèi)，也可以使用互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用軟件，用于許多源代碼。UClinux 是Lineo的主要產(chǎn)品，它為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)處理器、緊湊、和小型的Linux 系統(tǒng)而出現(xiàn)，可以在許多平臺(tái)上移植。穩(wěn)定和良好的移植，支持更多的CPU 和英偉達(dá)的網(wǎng)絡(luò)功能等。這是一個(gè)很受歡迎的操作系統(tǒng)。內(nèi)置的氣閘（中央控制器）是設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，具有重要意義，其設(shè)計(jì)是關(guān)鍵作用。一個(gè)內(nèi)置的艙門設(shè)計(jì)必須考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高度可靠性，保證系統(tǒng)的安全、維護(hù)、擴(kuò)大和兼容性。設(shè)計(jì)平臺(tái)必須充分考慮內(nèi)部資源和外部接口。

2.3 QT終端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于QT 中的終端控制系統(tǒng)采用到了已經(jīng)在整個(gè)ARM 開發(fā)板上都廣泛被使用得到的KT 接口，其中還使用了一個(gè)7英寸的屏幕，所以終端界面和終端服務(wù)器界面只能是在整個(gè)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(shù)據(jù)沖突。QT 終端：QT 控制模式在打開服務(wù)器時(shí)就會(huì)被自動(dòng)啟動(dòng)。一旦客戶選擇了模型，系統(tǒng)就會(huì)被扔在管道上，進(jìn)入管道服務(wù)器，并將它們發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行分析和處理數(shù)據(jù)，在QT 終端中介紹，并將其映射到網(wǎng)絡(luò)中。它們都是為數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)的，并方便地將數(shù)據(jù)傳送到平臺(tái)上。管道服務(wù)器自動(dòng)創(chuàng)建文檔，實(shí)時(shí)跟蹤管道，以獲取數(shù)據(jù)服務(wù)器數(shù)據(jù)。網(wǎng)頁和QT的數(shù)據(jù)流是相同的，相同的是TCP/IP，就像服務(wù)器一樣。

2.4 紅外信息技術(shù)設(shè)計(jì)

紅外信息技術(shù)是一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，這是傳統(tǒng)設(shè)備之間的替代品。通常在1m 范圍內(nèi)，在紅外線范圍內(nèi)，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(nèi)使用紅外數(shù)據(jù)的波范圍。IrDAl 協(xié)議，然后是IrDAl。提高通信速度達(dá)到4 Mbps，在IrDA 達(dá)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(yīng)用，主要是在家庭條件下，以及電子產(chǎn)品提供的紅外接口。然而，紅外線信號(hào)的無線傳輸時(shí)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(fā)出任何遙控的信號(hào)，所以該技術(shù)也只適合用于控制無線傳輸和發(fā)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(yōu)勢(shì)，然而，其高寬度加劇了UWB 系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有無線移動(dòng)通信系統(tǒng)造成的干擾。由于其高速度，UWB 的數(shù)據(jù)傳輸性能非常適合應(yīng)用在TV、PC、打印機(jī)、聲音、聲音、DC/DV 和其他的媒體上傳播多媒體信息。紅外技術(shù)則在一個(gè)超短傳播距離范圍內(nèi)完全可以分別適應(yīng)上述兩種媒體信息類型之間的處理,實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控、電子設(shè)備設(shè)計(jì)并確保這個(gè)系統(tǒng)有更高的兼容性和穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 整體設(shè)計(jì)流程

該門戶網(wǎng)站定期向服務(wù)器發(fā)送有關(guān)能源消耗和家用電器狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并將其存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，該庫保存所有家用設(shè)備的歷史記錄總體系統(tǒng)工作流程（見圖2）。

圖2 系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器的代碼，服務(wù)器接收到用戶憑據(jù)之后讀取數(shù)據(jù)庫標(biāo)識(shí)返回客戶或搜索用戶合法性有關(guān)成功連接設(shè)備的信息。

（2）全部讀取有關(guān)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(wù)器交換機(jī)歷史記錄，并從數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出并返回到計(jì)算機(jī)（瀏覽）。

（3）用戶發(fā)出設(shè)置命令、讀取實(shí)時(shí)信息或?qū)崟r(shí)檢查電器：成功后，您可以為家庭門戶設(shè)置相關(guān)參數(shù)，當(dāng)收到命令時(shí)，服務(wù)器會(huì)通過網(wǎng)格將其發(fā)送到相應(yīng)的用戶門戶。

下載后，在保存設(shè)置信息的同時(shí)驗(yàn)證用戶名和密碼，用戶可以請(qǐng)求或訪問自己家庭插座的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行控制：服務(wù)器實(shí)時(shí)接收到命令后，將其轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的門戶，在門戶中找到相應(yīng)的插槽并運(yùn)行，通過服務(wù)器將結(jié)果返回給用戶。

3.2 智能手機(jī)和Pad客戶端軟件流程

程序啟動(dòng)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(shí)，用戶可以選擇進(jìn)入設(shè)置服務(wù)器IP 地址和端口的界面。設(shè)置成功后，按確認(rèn)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(wù)器驗(yàn)證成功后，軟件自動(dòng)連接到服務(wù)器，此時(shí)軟件會(huì)自動(dòng)從服務(wù)器下載并顯示用戶當(dāng)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(diǎn)擊按鈕選擇插座（控制或查詢?nèi)魏尾遄┕δ埽浖⑦B接到服務(wù)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(shí)查詢?nèi)魏螝v史用電量信息和當(dāng)日用電量信息，該界面提供了用戶選擇的插座的狀態(tài)信息和控制按鈕。用戶單擊此按鈕，軟件將連接到服務(wù)器以發(fā)送請(qǐng)求。在服務(wù)器找到指定網(wǎng)關(guān)下的套接字進(jìn)行控制后，它會(huì)將結(jié)果返回到用戶界面（圖3）。

圖3 智能手機(jī)客戶端軟件流程

4 系統(tǒng)運(yùn)行與測(cè)試

文章所討論的系統(tǒng)經(jīng)過設(shè)計(jì)和調(diào)試，已經(jīng)在實(shí)際場(chǎng)景中進(jìn)行了測(cè)試。長(zhǎng)期實(shí)踐證明，系統(tǒng)能夠完成以下功能，性能可靠穩(wěn)定。

（1）實(shí)時(shí)控制任何家用電器的工作狀態(tài)。

（2）實(shí)時(shí)查詢家庭總用電量、各電器用電量、各電器實(shí)時(shí)狀態(tài)。

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

5 結(jié)語

介紹了一個(gè)基于無線寬帶通信技術(shù)的智能家居系統(tǒng)的完整硬件方案設(shè)計(jì)，包括對(duì)每個(gè)系統(tǒng)各部分的具體硬件組成和完整軟件的操作流程的分析。測(cè)試和運(yùn)行效果表明，實(shí)現(xiàn)了基于無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、廣泛應(yīng)用于電力線網(wǎng)絡(luò)載波通信技術(shù)的新一代智能家居應(yīng)用系統(tǒng)?；趧?chuàng)新技術(shù)與以人為本的科學(xué)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(xiàn)代科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的社會(huì)需求，也證明了該系統(tǒng)具有巨大的優(yōu)勢(shì)和市場(chǎng)前景。