智能家居系统-框架设计

Posted 2020-09-08

3.1 控制系统整体设计

智能家居远程控制系统的目标是实现家庭环境下的家用电器的集中网络化控制，并且具有环境参数监测功能，将原来由各自遥控器控制的电器集中到远程网络、服务器、web等终端上进行控制，或者由近端的手机、平板电脑等通过家庭局域网进行控制。总体的说，实现了在任何有网络的地方，就能随心所欲的控制家庭中电器设备的目标。

 

           图3-1  智能家居控制系统技术框图

系统的技术实现如图3-1所示，系统以ARM CORTEX-M3为控制核心，通过GPRS、WIFI、nRF、ZigBee实现对外连接，完成远程和近端的多网络数据交互。在网络接入方面，由于系统提供了GPRS和WIFI两条数据通道，因此，可以实现通过Internet的访问和通过智能移动终端访问，比如用户在家中时，可以通过手机上的客户端进行家电控制和家庭温湿度查询，当用户在公司上班时，可以通过访问服务器得知家里布置的传感器的数据，了解到家中实时状况。向下可以连接万能遥控器实现家电控制，同时可以连接ZigBee设备实现数据采集，从而构成一个完整的智能家居控制系统。

 

 

                图3-2  智能家居控制系统示意图

系统示意图如图3-2所示，本系统实现两个设计目标：

1、网络在哪家就在哪
      设计一个智能的家庭控制平台，提供便捷的、开放的家庭网络服务，用于从家电到家庭能源管理等家庭服务的远程控制。无论整合了何种第三方应用，用户只需要通过智能手机或个人电脑接入平台，就可以使用这些服务，控制家中家电，如空调、电灯、电脑、电视、音响等。

2、简洁、高效、廉价的通用平台

系统向上可以连接任何可以接入Internet的设备，系统提供了GPRS和WIFI两条数据通道，并且只关注数据接口而不关注上位机形式，很好的屏蔽了不同平台之间的差异。向下可以连接万能遥控器实现家电控制，同时可以连接ZigBee设备实现数据采集，系统只定义设备地址，而服务内容可以根据实际应用定义，使系统具有更大的灵活性。

    作为物联网的一个应用，智能家居远程控制系统也具有物联网的典型结构。如图3-3所示为方案技术层次图。系统分为三大模块：家庭网关、家电控制和传感器数据采集。

系统工作过程：采集（传感器）/家电控制器----无线传感器网络（ZigBee）/nRF通信-----网络接入（GPRS/WIFI）-----服务器/移动客户端用户。

层次划分	实现功能	基本要求	执行器	关键技术
应用层	数据访问和控制命令下达	易交互，实时	服务器/移动客户端	网络编程
网络层	网络接入	稳定，易实现	GPRS/WIFI	网络接入
	传感器网络	稳定、功耗低	传感器节点	WSN技术
感知层	数据采集/家电控制	准确、实时	温度/湿度/ 光照传感器... 学习型万能红外遥控器	传感器技术

图3-3  智能家居控制系统结构与技术分析

 

3.2 智能家居家庭网关的服务内容

智能家居系统智能化控制的核心是家庭网关，家庭网关是家庭内部网络与Intemet的唯一通信接口，在系统中起到承上启下的作用，对内综合管理，对外统一接口，是底层设备对应用层的数据转换器，也是应用层对底层设备的命令解释与执行机构。本系统使用的家庭网关在家庭内部提供不同类型和不同结构的子网的桥接能力，通过一定的传输介质将各种设备和系统连接起来，使这些系统之间可以互相通信，采用统一的通信协议，对内管理家庭内部网中设备的运作、协调；在家庭外部，网关通过Internet和GPRS等通信网络实现公众通信平台网络接入，完成设备的远程监控。

家庭网关是智能家居的控制中心，拥有出色的通信与协调能力是家庭网关的重要指标^[33]。本系统的多功能家庭网关，实现家庭环境下的家用电器的集中网络化控制，并且具有环境参数监测功能，通过网关实现公共通信平台的接入，实现远程化操作，将原来由遥控器控制的家电集中到远程服务器、web等终端上进行控制，或者通过家庭局域网进行控制，如用手机、平板电脑等进行操作。总体的说，实现了网络化控制，任何有网络的地方，就能随心所欲的控制家庭中电器设备。可见智能家居家庭网关的主要功能是家庭信息网络组建与管理，在统一平台上实现子系统的服务代理、协议转换和信息处理服务。

    

                          图3-4  智能家居控制系统功能框图

系统整体框图如图3-4所示，系统在物联网框架下，实现数据采集、传输和应用。系统为智能家居提供了一个开放的移动控制平台，完成从安全到家庭能源管理等家庭服务的远程控制。具体的讲：

1）感知控制层--数据采集与感知主要用于采集物理世界中发生的物理事件和数据，本系统中为环境监测子系统和家电控制子系统。

2）网络传输层--实现更加广泛的互联功能，完成数据传输。本系统中为WiFi网络和GPRS网络。

3）应用服务层—应用是物联网发展的驱动和目的，应用服务层实现数据分析和处理，做出决策。主要是物联网技术与行业相结合，本系统作为智能家居系统，向用户提供面向Internet的网络访问和基于移动终端的访问。