智能联网家居控制系统的设计与实现

时间：2024-05-04

郑国权

（广东省岭南师范学院广东省湛江市 524043）

智能联网家居控制系统是一种具有集成性、智能化、自动化等诸多特点的先进系统，其构成复杂，设计要点也要从多个角度出发去进行总结。文本主要从设计目标、框架设计以及实际框架设计两个方面出发，基于智能化、自动化控制理念去讨论智能联网家居控制的设计重点，望在设计工作中给予一定的参考。

1 智能家居控制系统的设计目标

1.1 实现家居设备的多类型互联控制

根据当前的智能家居技术发展现状来看，目前的智能家居控制系统，普遍使用分散管控的方式，这种控制方式，最主要的缺陷在于需要针对不同的系统进行分别监管与控制，导致系统控制的难度更高。因此在技术创新方面，重点在于开发能够实现多设备网络互联以及多电器接口互联的统一联网，这样才能摆脱单独控制的局限。通过总结不同电气系统的特征，我们能够发现电气系统的部分共同特性，这将成为系统集成的关键。用电设备需要设置开关，在设计时，可以使用二进制的0和1来去表示系统的开与关这两种状态。而其他的参数则需要额外添加，因此首先可以整合多个系统的基本开关控制，实现多设备的远程、实时开关控制。而其他的系数调整，包括温度调整、亮度调整等等，则可额外增加控制字段去实现针对性的控制。

1.2 实现远程的多系统监控

智能家居系统要利用多种监控方式，随时收集系统运行的相关信息，才能实现系统的自动化控制目标。为了保证系统的稳定运行，要借助于多样化的系统远程监控方式，确保多个设备系统的运行状态能够实现实时监管，为系统的自动化、智能化控制决策提供依据，这样才能让客户即便不在家中也能方便快捷地控制家中的用电系统。而对比以往与当今不同的远程系统控制方式，我们能够发现当今远程控制的优势。首先是以往的手持遥控设备控制方式。能够实现特定范围内的远程设备控制，用户在家中，利用遥控器，可以在一定距离内完成对家中用电系统的控制操作，但是这一控制方式必须要利用遥控设备去完成，而且控制的范围往往是十分有限的，最重要的是系统的运行状态是需要用户自己去监管的。而Irnet网络监控方式则允许用户使用移动终端去远程查看家中电气设备的运行状态，并且不限制用户的监管范围，只要客户所在位置有网络信号，允许使用网络，用户便能够轻松控制家中所有的用电设备。最后是GPRS远程监控方式，这是基于网络通讯技术以及定位技术所产生的监控方式，同样具备摆脱时间与空间局限的便利性，用户在有信号的情况下，编辑一条短信，便能轻松控制家中用电设备。

1.3 可靠的系统报警功能

系统的预警功能，是保证系统安全以及使用者自身安全的基础功能。在智能家居系统的设计过程中，更要重视系统的预警功能体现，才能做到防患于未然，在系统运行过程中规避风险。而为了不断收集设备的运行信息，为预警系统提供判断与发送预警信息的依据，必须要在系统当中加设传感器，包括红外监测装置以及门磁紧急按钮等等。感应装置负责感知系统运行的状态，收集系统运行的信息，并且持续输送到控制端，在感应装置感知的信息出现异常时，则要第一时间向用户以及控制端第一时间发送预警信号，如用户方面无反应，在系统运行陷入紧急状态时，系统则会做出自动化的控制动作。不同类型的感应装置，主要适用于检测不同系统的运行状态。例如红外线感应装置则主要用于检测燃气系统的泄漏以及火灾烟雾等等。

图1：智能家居系统模块划分示例图

1.4 友好的人机交互功能

人机交互的友好度，决定着智能家居系统在社会大众群体中的认同度。虽然随着科学技术的不断发展，先进的技术逐渐渗透到大众的生活当中，但是依然不乏有许多群众对智能化、信息化设备的操作不熟悉而导致无法接受的问题。虽然智能家居系统，能够为社会大众的生活带来巨大便利，同时也能够大幅度减少不必要的能源消耗，但是如果操作选项过于复杂，人机交互的友好度不高，则只会给大众带来更多困扰。而集成化、智能化的系统设计，则能够允许用户使用更加简单的方式去实现系统控制操作。智能家居系统提供了一系列的人机交互接口，也提供了不同的人机交互方式。从按钮控制、触屏控制，到如今的语音控制，多种人机交互方式的产生，满足了用户的不同控制需求。

2 物联网智能家居系统总体框架设计

2.1 系统整体结构与模块划分

智能家居的控制终端可集成以下几个设备。其一是常用功能。智能化的控制终端，能够为智能家居设备提供多个系统接口，并且为不同设备分配唯一的ID，做好设备识别，进而实现对多个设备的基本功能控制。基本的功能包括设备的开关开启与关闭、设备状态的查看以及参数设定。其二是安防功能。智能制终端关联家居安防监控设备，包括门禁烟感装置、红外探测装置等等，能够实现事故风险的第一时间预警以及自动控制，进而规避风险，为实现紧急病情预警，还可设置紧急医疗预警装置，方便急病预警。其三是远程监控功能。要结合Irnet与GPRS技术，为用户提供移动设备控制的不同渠道，包括专门的网络信息端口远程管控以及手机信息远程管控等等。图1为智能家居系统模块划分示例图。

2.2 主要硬件的选型

2.2.1 核心处理器

图2：智能家居网关的结构示例

核心处理器如同是系统的心脏，决定着系统能否正常运行。本文所谈及的智能家居控制系统，因其构成包含大量的信息输入输出接口、大量通用异步收发传输器接口以及多个URTA/D转换器。所以使用通用DMA控制器LPC2378更为合理。因LPC2378的接口丰富且性价比高，能够适应多设备接口的应用环境，满足网络协议的转换需求。

2.2.2 基于RS-485总线的物联通信

作为一种多点差分数据传输的电气规范，RS-485总线通信接口能够实现在双绞线上的多点双向信息传输与接收，同时能够有效提升信息传输的效率、传输的精准性并且控制噪声。其最主要的特点是在硬件的接口设置上相对更加简单，且总线连接的所有设备只能有其一是处于发送状态，其他的设备则一直为接收状态。系统网络是由多个单片机构成的串行通讯网络，从机在运行过程中被动发送特定的控制命令或是数据，在必须要主动发送指令与参数时则需要使用主机进行控制。RS-485总线接口使用两种接线方式去满足不同的功能，这样才能真正实现多点的、双向的信息传输。而四条接线的模式则普遍适用于一对多的信息传输。本文所谈及的RS-485总线物联网络通信使用嵌入式处理器，家居设备则是受处理器控制的从设备。系统输出与组合电路的单片机控制器引脚相关联，对引脚高低平的跳变进行监测，进而改变系统的接入状态。信号调理路功能主要是指对智能电器的总中电信号与输出电平进行隔离，同时转换信号的形式。利用SN5176芯片，能够实现单片机串行向RS-485口的转换，进而达成设备与串口的通信。RS-485网络结构的总线控制单元使用嵌入式的ARM芯片，通用总线与传输网络的融合能够拓展信息传输的举例，同时能够降低成本，进而更好满足家庭用户的设备互联控制需求。

2.2.3 以太网通信

本文所谈及的智能家居系统，其设计基于10/100M以太网模块，为了保证系统的信息收发效率，使用了存储器直接访问的硬件去优化数据包的传输速率。太网模块主要构成是用简化媒体独立接口连接PHY芯片。太网模块的框图构成主要包括以下几个部分。

（1）总线接口。这一接口连接直接存储器访问接口以及AHB总线。以确保模块能够顺利读取静态随机存取存储器，完成对描述符的读取与写入，完成数据的缓冲。

（2）主机寄存器模块，其主要的作用是对以太网运作方式的设置，借助读取寄存器，能够实时监测以太网的运行信息、异常信息等等。

（3）简化媒体独立接口，其主要负责完成与单路物理层(PHY)器件的信息传输。

（4）DMA方式的数据收发。这一数据收发方式，能够实现总线与数据缓冲区之间的信息互通。图2为智能家居网关的结构示例。

2.2.4 基于GPRS的远程报警

远程报警功能，是当今的智能家居系统所要具备的基本功能。基于GPRS技术进行设计，能够保证信息监测以及预警的精准性、可靠性。远程的监测与预警网络，其构成主要包括监控中心、现场的数据监测与采集终端以及GPRS服务中心。现场的数据监测与采集终端主要负责收集设备运行过程中的运行状态以及安全相关信息，在完成信息收集后，第一时间传输至监控中心，通过监控中心去迅速分析所采集的数据，做出判断与决策。如果监控中心接收到了来自现场数据监测与收集终端的异常信息，完成了数据分析后，则可以启动远程预警程序，通过GPRS服务中心发出预警信息，最大程度减少事故的影响。本文系统的GPRS模块结构紧凑，具备同时提供四级编码以及10级多时隙的能力。该模块具有诸多优势，其一是该模块的功耗小，因该模块使用内嵌TCP/IP协议，能够实现有效提升信息传输的速度。RS-485总线网络结合远程预警系统，能够在实现远程预警的同时达成智能化、自动化控制的目标。其二是该模块的体积小，双列的直插式对板连接器能够适应不同的模块尺寸要求。