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智能家居系统的设计与实现
摘要：随着信息时代的蓬勃发展,计算机技术和因特网的发展必将更加深入的影响到人们生活的方方面面。在智能小区、家居自动化的影响表现为以网络技术为数据传输手段、采用计算机智能管理和控制的发展。本文首先对智能住宅的内涵、特征以及国内外发展现状进行了简要阐述,提出了一个家居智能化系统组成方案。同时结合当前常见的网络监控与物业MIS系统,对家居智能化系统及其配套的物业管理信息系统结构进行了详细的分析与设计。
关键词：嵌入式Linux；面向服务；分布式；ZigBee
一、引言
随着互联网和智能硬件的不断发展,智能家居产业逐步走向成熟。与此同时,中国的人口老龄化进程加速,面临新的挑战,中国的养老体制还不够完善,人们的目光再次聚焦在智能家居系统上[1]。近年来,智能家居的智能化程度有了很大提高,各种家用智能机器人相继推出,如陪护机器人、擦窗机器人和扫地机器人等。智能家居系统也开始从控制家用电器逐步转向全面照顾人们的生活起居。为了实现智能家居系统中的各种设备之间协调工作,共享信息和资源。达到兼容家电设备和高端智能产品,灵活增减和更换系统中不同厂家设备的目的[2]。
本课题所研究的智能家居系统也是物联网发展的一部分，智能家居以住宅为平台，利用计算机技术、嵌入式技术、传感器技术等相关技术将家居生活有关的设施集成，构成高效的住宅设施与家庭日程事务管理系统，集系统、结构、服务、管理、控制于一体，提升家居安全性、高效性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的健康居住环境。本次设计将采用以树莓派为载体，将几个有关智能家居应用的独立功能和相关服务整合在其上运行。
二、研究意义
随着21世纪社会经济的迅速发展，人们对于智能化的需求越来越迫切。1984年，美国联合科技公司（United Technologies Building System）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国Connecticut Hartford的CityPlace-Building，标志着首栋“智能型建筑”的诞生，拉开了全世界争相建造智能家居的序幕。2009年，“物联网”成为全球瞩目的关键词，伴随着智能手机的发展，物联网技术的成熟，都让只能家居业迎来了发展的春天。“物联网”被成为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，其作用是通过传感器和互联网衔接以实现对物体的远程控制与感知。物联网的大潮将会把无线射频的智能家居系统推到一个史无前例的市场高度[3-6]。
三、国内外研究现状及难点
在国外智能家居系统研发方面，美国及一些欧洲国家一直处于领先地位。近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国外知名企业，先后挤身于智能家居的研发中。例如:微软公司开发的“梦幻之家”、摩托罗拉公司开发的“居所之门”、IBM公司开发的“家庭主任”等均已日趋成稳得技术强占家居市场。此外，日韩新等国的龙头企业纷纷致力于家居智能化的开发，对家居市场更是跃跃欲试[7-9]。
目前市场上出现得智能家居控制系统主要有：
（1）X-10系统（美国），该系统是利用电力线作为网络平台，采用集中控制方式实现。这套系统的功能较为强大，与其它家居控制系统如ABB、C_BUS等比起来更容易接收，使用也相对简单。因为实现同样的功能，X-10家居控制系统是利用220v电力线将发射器发出的X-10信号传送给接收器从而实现智能化的控制，因此采用这套系统不需要额外的布线，这也是这套系统的最大的一个优势，因为其它系统基本上都需要布低压线，在墙上或地面开槽、钻孔，施工难度大、费用高、工期长。但由于缺乏在国内市场推广的条件且价格昂贵，该系统在国内应用极少[10-13]。
（2）EIB系统（德国），该系统采用预埋总线及中央控制方式实现控制功能。但由于其工程要求复杂严苛，并且价格较高，因此一直无法打开国内市场。
（3）8X系统（新加坡），该系统采用预处理总线跟集中控制方式来实现功能。它的优点在于利用的产品对系统进行扩展，系统较为成熟，比较适合中国国情。但是由于系统架构、灵活性及产品价格等方面还难以达到要求，所以目前在国内还较少应用[14-16]。
20世纪90年代后期，我国的智能小区日益兴起。众所周知，我国的智能化住宅建设最早起于上海、广州和深圳等沿海城市，并逐渐向内陆发展。在97香港回归之际，在建设部“97跨世纪住宅小区案竞赛活动”中，上海中皇广场被建设部科技委员会列为全国首家“智能住宅示范工程”，揭开了全国智能小区发展的序幕。1999年，建设部勘察设计司、建设部住宅产业化办公室联合组织实施全国住宅小区智能化技术示范工程，标志着我国住宅小区智能化进入了一个新阶段。随着信息化走进了千家万户，由国家经贸委牵头成立了家庭信息网络技术委员会，而信息网络技术体系研究及产品开发已经被列为了国家技术创新的重点专项计划。据建设部要求，截止今年，我国将有70%以上的家庭拥有Internet入网设备，大中城市中50%的住宅要实现智能化[17]。
我国的智能家居相对于国外起步较晚， 尚未形成一定的国家标准。目前，主要采用国外的一些技术产品，但也有一些企业推出了自己的产品，主要有：
（1）e家庭（海尔），该系列产品以海尔电脑作为控制中心，各种网络家电作为终端设备，海尔移动电话作为移动数字控制中心。海尔在技术上同微软合作，利用微软的Windows Me技术和海尔的网络家电，使“e家庭”已具雏形，已推出了网络洗衣机、网络冰箱、网络空调、网络微波炉等一系列网络家电[18]。
（2）e-home数字家园（清华同方），该智能家居控制系统是专门针对中国家庭设计的，遵循国际技术标准，采用嵌入式软、硬件技术，提供网络、网络节点及末端设备。产品以功能模块开发为主，基于国外成熟的智能家居标准之上。其智能家居控制系统主要有以下三个部分：
A系列：遵循EIB协议的家庭控制产品，适用于中高档住宅区。
B系列：遵循X-10协议的家庭控制产品，适用于中档住宅区。
易家三代：配电箱集中安装式家庭控制产品。
国内各大软、硬件机构正在积极的研制、开发更为符合市场的智能化家居设备，以解决当前智能化产品实用性差、使用复杂及产品价格昂贵等缺点，而技术创新性也逐步向国际先进水平靠拢，这样的未来值得期待[19]。
难点：
（1）标准不统一：适度竞争可以促进技术的进步，但过多的竞争就会造成资源的浪费，短期的利益的驱使也可能会使技术和市场引向歧途，因此推动各个层面标准，技术，产品的融合，规范是目前智能家居面临的问题之一。
（2）技术专业化程度高：智能家居产品结合多门技术需要专业人员进行安装，调试和使用培训，使得用户在使用时需要进行复杂的操作。
（3）成本耗费高：智能家居涉及到计算机、通信、自动化、电子等多个学科领域，没有一个企业能够以一己之力毕其全功。目前，国内与家庭自动化相关的产品较多，但智能化水平偏低，其产品和服务仅仅作为人工的一种补充，而不是改变生活方式的主要力量。
(4)产品不够傻瓜：真正的智能家居应该是一种自然交互，整合的和基于用户习惯的控制方式。用户可以通过说话、短信或者单独的触摸控制来实现与房屋的交互，即操作步骤不需要太过繁杂，用户只需要通过发出简单命令，就能达到想要的结果[20]。
四、系统通用结构
在智能家居的系统设计方面，计划采用Qt作为界面设计的工具，由于其的跨平台优势，使得设计得到很大的方便，在高性能的计算机上设计，并测试通过后可以直接移植到对应平台，出现的问题也可以很好的找到和解决。Qt的界面设计在其官方的QtCrate上很容易进行。由于树莓派的性能有限，Qt这种需要大资源的软件在对源码的编译和测试将会耗费大量cpu资源，而且耗时很长。所以为了解决这一问题，难题之一就是解决相应的跨平台编译问题，即交叉编译环境的搭建[21]。
在软件实现部分，本次设计计划采用模块化设计，对于每个模块进行单独的设计，最后对于相互不影响的程序代码进行多线程的控制，使其同时进行。对于那些具有先后顺序的程序代码就进行相应的控制加以实现，在Qt的界面下面，对于所有的代码进行整合并归类。
模块设计将会分为下列几个模块：
（1）智能灯光控制（全开全关、调光、颜色变化，设置灯光场景）目标：节能、环保、舒适、方便
（2）智能家电控制：电动窗帘控制盒，红外线转发器(空调、电视机、DVD碟机、蓝光播放器、功放、音响、机顶盒、投影幕布、投影仪)，86型智能遥控插座（饮水机、热水器、微波炉)，无线温/湿度传感器，无线触摸开关面板
（3）安防监控系统：网络摄像头，通过Web网页管理和维护设备，实现远程配置（防盗，防燃气泄露，防火、报警、远程监控）
五、系统实现技术方法研究
随着经济的快速增长，快节奏的生活状态使得人们越来越注重生活的质量和品位。如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统已成为当今世界的一个热点问题。目前，国内外各种类型的智能家居产品越来越多，其中大部分是基于电话网的安防控制系统。但在我国，家庭电话用户正逐步减少，且电话线路易被破坏，故此类产品有一定局限性。随着电信 GSM 网络覆盖范围的广阔化、无缝化、以及手机的日益普及为基于 GSM 网络的智能家居系统提供了巨大的应用空间[22]。
本系统由硬件和软件两大部分构成。硬件主要由GSM模块、控制模块、电源模块和传感器模块组成。采用STC89C52芯片作为主控器件，由于单片机接收的是数字信号。而传感器模块是由NIS-09C烟雾传感、MQ-2可燃气体传感器组成，且输出信号均为模拟信号，因此要先把模拟信号转换成数字信号再传送给单片机，这里采用的是AD0809芯片完成信号转换。TC35工作在CMOS电平，而单片机工作在TTL电平，所以在与TC35模块进行数据交换时中间应加电平转换电路，这是采用的是MAX232芯片。软件部分由单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序组成。在单片机应用系统开发的过程中，应不断调整软、硬件，协调地进行软、硬件设计，以提高工作效率，当系统硬件和软件紧密配合、协调一致，就可以组成高性能的单片机应用系统。本课题完成了单片机应用系统其开发过程的系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试，根据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行[23]。
在设计本系统时，面对各种检测对象和大量控制单元，需要利用各种接口标准和单片机进行连接，再经过单片机进行数据处理，实现实时测控。而此时采用单片机来实现智能家居控制系统不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采各模块和芯片的协调性，从而大大提高系统的可利用性。此次系统设计统正是把TC35模块与单片机有机的结合起来，顺利的完成了本设计的要求。并且实现了对家电的远程控制。
设计采用树莓派作为主控计算机，由于其价格低廉但是性能完好，可以媲美早先的家用计算机，而且鉴于其拓展容易，所以本次设计计划采用。在系统方面采用官方推出的系统raspbian，基于Linux下的优化过的系统，稳定性高，而且可以移植很多Linux软件，或者脚本，开发较为容易。系统经过优化，稳定性大幅度上升，而且功耗得到降低，但是可实用性并没有有所缩减，该有的视频输出、网络接入、可拓展引脚都得到很好的保留，也得到相应的优化。
六、总结与展望
借助于GSM网络通信技术和单片机的控制功能，实现了对家电的远程监控和控制。系统充分利用GSM网络覆盖范围的广阔化、无缝化和短消息业务，让用户可以随时随地的了解住宅情况并实现远程控制。同时GSM模块与控制电路可以集成在同一线路板上，这样既节约了成本，又提高了整个系统通信的稳定性，不仅可用于居民住宅，还可以用于仓库、厂房与花卉大棚等地方的安防监控与电路远程控制等，并具有实现简单、成本低、适用范围广、安全可靠等优点。
由于系统是采用继电器电路控制家电的，所以在现实运用当中布线非常繁琐，不便于管理。后期可以考虑利用蓝牙或者红外线对家电短距离控制。这是系统有待改进的地方。
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