智能家居系统的设计与应用

陶成　梅莹莹　钱佳佳

摘要：在网络迅速发展的当下，随着5G网络的应用，物联网等相关技术得到进一步升华，随之而来的家居系统智能化也成为一种必然趋势深入千家万户，给用户们带来便捷。为了消除家中无人，电气火的安全隐患，和方便用户无线控制家电，设计了一款智能化家居系统，利用了计算机、网络通信、无线、电力自动化等技术。以内嵌式微处理器为根基，以WIFI为血液以电力布线为芥蒂以App为手段建立起一个集合了家电设备自动化、防盗安全、娱乐、生活为一体的智能家居系统设计。

关键词：智能家居;传感器;防电气;防盗;ARM微处理器

中图分类号：TP302        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）07-0192-03

在社会快速发展的状态下，人们生活品质不断飞跃，所以人们的需求也不断升级，我们希望能满足高层次的生活水平，从而出现了智能家居。

1 智能家居网络系统方案设计

1.1 智能家居整体设计

智能家居整体是由多个温度传感器，湿度传感器，光敏电阻，CO浓度传感器以及小型CPU和中控组成的。

所以我们采用分层思想，对智能家居的整体设计分为四大层。

分别是：数据采集层，数据传输层，服务器层，用户层。数据采集层负责收集传感器发出的信号，将信号通过TCP/IP协议传输给信号接收器统一管理和打包。数据传输层将打包好的数据包交给中控网关和路由器发送给服务器。服务器层将数据拆包，分析新旧数据的变化阈值做出不同的判断，并向用户层及时做出响应。

1.2智能中控系统

智能中控系统一般是以一种小型服务器的形式出现的，它的主要任务是搭载家用电器以及智能设备的运行终端，由高级指挥低级，通过专业的智能芯片配合App控制低级家电，简单来说它是智能家居系统的核心组成部分，生产这种系统需要大量的技术。

涉及的技术主要有多媒体技术，是用来和中控系统相互相应配合，从而控制各种已经上线的电器的全开全关的场景控制，在居室环境下，体验不同的氛围，只需要给智能交互系统发布语音命令切换模式，再根据预先设计的模式控制家居的开关。

1.2.1传感器模块介绍

我们选用的温湿度传感器是DHT系列的11号传感器，虽然精度非企业专业标准，但是其价格和速度也尽如人意。

App的控件其实并不复杂，除了图片就是按钮，按钮有动态按钮和静态按钮。动态按钮主要是后台配置XML文件前台获取XML文件的各项数据，动态的部署按钮内容;静态的主要控制开关，（照明、投影、音量、LED等设备）家居的控制主要是通过点击App的按钮或者菜单，App再发送URL给云端服务器。

1.3 智能照明系统

（1）功能介绍：

智能照明系统，智能照明就是对住宅内的各种灯光进行智能管理与控制，跟传统家居照明相比，它可以实现对LED灯的调光、一键转换场景、一对一遥控及分区灯光全開全关等功能。调光的细腻度和使用的稳定性就是它的重要特点。它是利用先进的电磁调压及电子感应技术，对供电进行实时监控并跟踪自动平滑地调节电路电压与电流幅度，使得照明更加智能化，达到优化供电目的的照明控制系统，举个例子：

智能照明，用户可以通过智能手机或者智能设备开启智能模式，这样智能照明的灯就可以随着天气的变化进行光线的管理，当阴天时，灯光会变得较为亮，天晴时会自动关闭灯光，晚上当你进入家门时，灯光会自动打开，当你看电视时，灯光自动调节到适合看电视的暖光，时刻为您服务，当您晚上睡觉时，灯光自动关闭。也可以设置为人工调节，这就需要用户个人自己调节灯光，关闭或者开启。这就是智能灯光的魅力。

1.4 智能交互系统

智能交互系统主要是人机交互，智能语音音箱，智能化妆镜，智能面板等。

智能语音音箱运用的技术主要是语音识别，自然语言处理，ASR，TTS，NLP，AEC。

首先，一般有个全天24小时侦测唤醒词的麦克风，一旦检测到唤醒词，就把之后的语音传到语音识别服务器上。

语音转文字简称ASR，现在这项技术已经成熟了，可以根据上下文理解和大数据匹配，非常准确。

1.5 智能化安防系统

智能化安防系统主要是其相关内容和服务的信息化、图像的传输和储存、数据的储存和处理等一系列的应用。就基于该系统而言、一个完整的智能化安防系统主要包括三大部分：门禁系统、报警系统和监控系统。

1） 防盗报警系统

该系统的前端设备为各种类别的报警传感器或探测器;系统的终端是显示/控制/通信设备，它可应用独立的报警控制器，也可采用采用报警中心控制台控制。用户在外出时，可能会遇到一些不法分子入室盗窃，这个防盗报警系统就可以很好的应对这个问题，该防盗系统主要是防止有人用非法手段入室，如果非法入室，设备自动报警，窗户自动关闭，系统通知主人。可以做出快速的应对措施，以便于将其抓获。

2）防火，防水，防漏气

通过设备检测室内烟雾浓度、燃气泄漏，在到达一定的浓度时，自动开启报警功能并进行相应措施，外面刮风下雨时，智能检测设备会根据检测的数据按照用户预先设计好的方案实施动作。比如湿度太大就关闭窗户等。

3）门禁系统

该系统由门磁和红外人体传感器组成，因为人是恒温的，所以它可以检测到是否有人，当用户打开系统时，所有入室的人或者动物，都会被感应到，并发出短信提醒用户，让用户采取相应措施。涉及的技术将在第六节详细说明。

1.6 智能窗帘窗户

智能窗帘是带有一定自我反映、调节、控制功能的电动窗帘。可根据室内环境状况以及用户个人习惯来自动调节光线强度、空气湿度、平衡室温等，有智能灯光、智能雨控、智能风控三大突出特点。

由用户自己定制窗帘来实现，窗户通过时控和遥控来控制，通过光传感器和湿度传感器来接收信号，但由于不同时间的光强和湿度的不一样，用户会有不同的要求，在控制上增加了遥控和时控显得更加人性化，在长时间的工作下，系统通过机器学习，可以自动得到用户的习惯，以便于用户可以更加舒适的休息。

并且温湿度传感器DHT11将当前捕捉到的环境数据处理反应打包发送给信号接收器，信号接收器将数据拆包分析，划定阈值范围的数据属性，然后交给微处理器去响应中控系统控制窗户的流量，窗帘的开闭，空调的模式。

窗帘布的材质有多种选择，要求尺寸要大过窗户，一般使用侧壁装，有投影需求的用户可以选择更好的材料，需要在后面额外增加一个收缩板，可以满足晚上的投放设备使用，投放的效果也不会被窗外的光线所影响，如果不做投影，可以在幕布式窗帘布上制作个性图案来装饰空间。

1.7 智能安防系统的应用技术

涉及安防的设备有智能人体探测器，智能门窗贴，智能摄像头与红外幕帘探测仪。

智能人体探测仪在人体感应范围内，有人来回走动时，设备能将人体的移动信号报给主机，主机再将报警信息推送至手机App，已达到实时报警的功能，放置在门口、窗台用来检测并报告不请自入的外来人员。

智能门窗贴分为两个部分，一个红外发射管，一个红外接收管，红外发射管采用的是SIR928-6C-F的光遮端器专用的红外发射管，由于是M/D封装，低电压，峰值波长940nm，可靠性极高，反应时间快，也不含铅等重金属，符合RoHS特性。红外接收管我们采用IR294-A，采用原因依然是反应速度快灵敏度高。将它们组装在芯片上还可以连接中控系统的网络，如果接收器未接收到红外信号，发射器将实时信息发送到中控系统，再有中控系统发送到手机App上，用来检测门窗开启，保护财产安全。

智能摄像头是智能安防的核心，如果没有摄像头，那么那些产品都是空有其表。摄像头应该采用阻燃PC材料，吸顶安装，内置Linux嵌入式系统，可以通过网络云台旋转，添加录音功能，将家庭的实时画面保存发送给App中该功能模块界面上，利用OpenCV技术识别人脸，如果是陌生人进入家中被摄像头探测到，会分析体态特征，并发出警告以及通知房主。达到人不在家却看到家的目的。该Linux系统类似于一个低配手机系统，只需要联网上传存储和机械控制，所以涉及的硬件不是很多，比如网卡，存储器。

1.8 智能暖通系统

1.8.1功能介绍

暖通是建筑的一个组成部分。在学科分类中的全称为供热供燃气通风及空调工程，包括：采暖、通风、空气调节这三个方面，从功能上说也是未来家庭必不可缺的一部分。智能暖通系统就是通过智能化管理方法对房间里的采暖，通风，空气调节这三个方面采取智能化管理，使得家居生活更加舒适。举例：通过智能设备对家中的空调或者暖气进行管理，把房间温度保持在舒适的温度，当超过这个温度时自动断掉暖气的输入或者自动关闭空调，当低于舒适的温度时，自动连接上暖气或者自动开启空调，通风与空气调节也是一样，当你在厨房烧饭时自动开启通风，将油烟气处理后输送到外面，将外面新鲜空气送到房内。从而使室内保持良好的空气质量。

1.8.2 技术要求

智能暖通系统所涉及的技术比较复杂，它需要实现智能温控阀，散热器恒温控制阀，流量调节阀。核心是恒温控制器、温湿度传感器、温包。热水器、地热、中央空调、空气抽湿器、加湿器以及空气过滤器都是联合使用的，由上文说的温湿度传感器捕捉环境状态，再由App设定模式，互联网传送命令，WIFI控制家电，做到人刚下班，滑动手机设置下班模式，到家就能享受热水浴，以及享受合适的室温。

2 结论

总之，智能家居在国内市场还算空洞，现在阿里正在努力研发这项技术，并且有所成就，在杭州有一家酒店叫作非住不可酒店，已经实现了无人酒店。从开房间到零食售卖，送餐，全都是机器人和机械臂。只有后厨是人工。开房间只需要在一个智能交互设备上按照指示点击屏幕就可以完成信息注册合法入住。酒店内的电梯都是通过注册用户的面部识别开启电梯门，房间门也是如此，房间内的各种家电和设备都是如论文所述的场景，包括了未提及的智能马桶。点菜只需要跟语音音箱交互，随后就会有机器人乘坐电梯上来送菜，真是科技改变生活！所以智能家居系统必然是未来的大势所趋。

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