智能家居物联网远程控制系统

智能家居物联网远程控制系统

倪如美

浙江名欧智能科技有限公司，310000

摘要：随着物联网技术的飞速发展，其在居家服务环境中的应用也已如雨后春笋般层出不穷，普惠广大群众，催生出了智能家居的概念，这一物联网技术最普遍最广泛的应用也不断推陈出新，发展势头迅猛。该系统运用物联网、互联网、自动化控制、网络通信、嵌入式等技术，将居家环境中的电灯、电视、空调、燃气、窗帘等设备进行整合，系统具备家电开关控制，火灾预警，室内灯光调节，水表、电表、气表的数据查阅，温度、湿度等信息的监测等实用功能。智能家居物联网远程控制系统是物联网技术发展的必然产物，极大改善人类的生活方式，提高人类的生活质量。

关键词：物联网技术；智能家居；传感器；应用

引言：智能家居作为家庭信息化的实现方式，已成为社会信息化发展的重要组成部分。从个人、公共服务以及政府需求来看，凸显出发展智能家居产业的迫切性。在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网将是智能家居产业发展过程中一个比较现实的突破口，对智能家居产业的发展具有重大意义。物联网技术的发展与成熟，使得跨产业、跨领域技术和业务融合成为现实，并成为智能家居行业的产业化加速器。在物联网给智能家居产业带来机遇的同时，物联网和智能家居所面临的问题同样是不可忽视的，挑战与机遇并存。基于此背景，文章对智能家居物联网远程控制系统设计与实现展开研究。

一、相关技术概述

1.1ZigBee技术

本项目采用以星型拓扑的方式进行 Zig Bee 组网。Zig Bee 技术相较于其他短距离无线通信技术最突出的特点就是支持高容量的组网，且组网方式十分灵活。典型短距离无线通信技术比较如表所示。

1.2TCP/IP传输技术

本项目采用TCP/IP传输技术，TCP/IP网络模型只有四层：

网络接口层：包括用于协作IP数据在已有网络介质上传输的协议，如ARP、RARP协议等，提供TCP/IP协议的数据结构和实际物理硬件之间的接口。

网络层：负责数据的包装、寻址和路由，同时提供网络诊断信息等功能。主要协议包括IP、RIP、ICMP 等。

传输层：提供两种端到端的通信服务。其中TCP提供可靠的数据流运输；UDP提供不可靠的用户数据报服务。

应用层：面向不同的网络应用引入不同的协议。包括FTP、HTTP、SMTP、Telent等。

TCP/IP提供了不可靠、无连接的服务，所有的TCP、UDP、ICMP等数据都被封装在IP数据报中，可以进行丢包的重发控制，以确保传输的可靠性。

二、系统总体设计

2.1体系层次结构设计

本项目的智能家居物联网远程控制系统的三层结构。其层次结构如图1所示。智能信息系统的基本架构可分为三层：居家环境感知层、网络传输层以及智慧服务应用层。

图1系统层次结构图

2.1.1居家环境感知层

居家环境感知层是系统的底层，如果以一个人来做类比，居家环境感知层就好比是人的触觉神经，它由大量的环境信息传感器构成（目前主要包括温度、光照、CO2、有害气体等传感器）。这些传感器就好像一个个神经节点，分布于居家环境的各个角落，对环境信息进行采集，并通过一定的短距离无线传输技术，将采集到的数据发往智能信息系统的上一层。

从网络技术的角度来看，居家环境感知层的传感器，在一定的范围内构建了一个WPAN网络（无线个域网），所谓的WPAN,是为了解决“最后几米的无线通信连接”而提出的网络。通常指覆盖范围在10m半径以内的短距离无线网络，尤其是指能在便携式消费电器和通信设备之间进行短距离特别连接的自组织网网。WPAN是一种与无线广域网（WWAN）、无线城域网（WMAN）、无线局域网（WLAN）并列但覆盖范围更小的网络，其对应关系如图2。

图2 WPAN与其他无线网络对应关系

在居家环境感知层所构建的WPAN网络中，传感器节点是以ZigBee方式进行组网的，采用星型拓扑结构，终端节点采集环境信息，通过协调器节点再向上转发。

2.1.2网络传输层

网络传输层是智能家居物联网远程控制系统的中间层，负责整个系统层级间的网络通信与数据传输。这里主要包含以下几项：

（1）环境信息采集传感器之间的通信

在居家环境感知层，传感器是以ZigBee方式组建WPAN的，因此，环境信息采集传感器之间的通信也是以ZigBee技术进行的。需要注意的地方在于，居家环境感知层所采用的ZigBee组网方式是星型拓扑结构，所以，各传感器之间是无法进行直接通信的,必须经由协调器节点进行通信。

（2）环境信息采集传感器与SIPS终端之间的通信

如前面(1)所述，环境信息采集传感器的通信要经由协调器节点，同理，环境信息采集传感器与SIPS终端之间的通信也是经由路由节点进行的。具体来说，温度、光照、CO2、有害气体等每一个具体的传感器，他们需要向智能信息系统上层传送数据时，是先将数据传送到协调器节点，再由协调器节点转发给SIPS终端的；而SIPS终端向下发送控制指令时，也是先将控制指令发送到协调器节点，再由协调器节点转发至具体的控制终端的。

(3) SIPS终端与智慧云平台之间的通信

当居家环境感知层采集的数据都汇总到SIPS终端之后，SIPS终端就需要将这些数据发送给智慧云平台，同时，SIPS终端也要接受来自智慧云平台的控制指令。由于SIPS终端位于本地，而智慧云平台服务器位于云端，所以这部分通信是SIPS终端通过自己的Wi-Fi或者4G模块，经由Internet、TCP/IP协议与智慧云平台进行远程通信的。

2.1.3智慧服务应用层

智慧服务应用层是系统的最上层，是智能家居物联网远程控制系统智慧性的集中体现。主要包含以下功能：

(1)云端数据存储与管理；(2)归纳用户习惯、建立用户知识库；(3)根据用户习惯进行智能决策；(4)向系统下层发送控制指令。

若以一个人作为类比，智慧服务应用层就相当于人类的大脑，可以进行记忆存储，可以智慧化的进行思考，做出最优化的决策，并且可以通过神经网络对人体的其他部位进行控制。智慧服务层正是通过机器学习算法进行知识学习，并作出决策，对系统下层设备进行控制的。

2.2功能架构设计

智能家居物联网远程控制系统总的架构如图3所示。从该图中我们可以清晰地看出智能信息系统的三层架构，采集环境信息的传感器节点与协调器节点构成了居家环境感知层；SIPS终端充当了智能网关的作用，并具备本地数据存储能力，是本项目设计的数据处理模块的主要设备；智慧云平台则是智慧服务应用层的具现，具有数据云端存储、智能服务等应用能力。

图3系统功能框架图

三、系统模块设计

3.1信息采集模块

信息采集模块主要通过诸多居家环境信息传感器来实现环境信息采集的功能。所采集的信息主要有:(a)温度；(b)光照；(c)CO2浓度；(d)有害气体浓度。

信息采集模块所采集的数据，是数据处理模块所得到的最原始的数据原型，它是整个智能信息系统的神经末梢，将周围环境的信息尽量准确的收集起来，以供系统处理、计算、决策，若是没有采集模块的原始数据，整个系统将成为无本之木、无源之水。

3.2数据处理模块

数据处理模块是智能信息系统中承上启下的一个模块。首先，它接收信息采集模块的数据作为输入，通过协议解析，得到系统原始数据；随后，它还需要对这些原始数据进行本地存储；最后，它需要对这些数据进行预处理，为知识管理模块与决策控制模块提供更准确、更可靠的数据原型。此外，数据处理模块的载体SIPS终端作为系统中间层，还需要具有数据传输功能，信息采集模块所采集的数据需通过数据处理模块的上行链路传送至SIPS终端；决策控制模块所生成的控制指令也需要通过数据处理模块的下行链路传送至设备调节模块。

3.3知识管理模块

知识管理模块在智能信息系统中的定位，相当于人体大脑中的记忆模块。它的输入主要来自于数据处理模块提供的数据原型，输出则是通过海量数据积累并进行数据挖掘后得出的用户习惯，这些数据一方面与数据原型一起存入数据库，另一方面作为决策控制模块的输入，以供决策控制模块参考。同时，知识管理模块还具备数据加密、数据备份、软件更新等功能。

3.4决策控制模块  

决策控制模块主要负责根据数据处理模块和知识管理模块传来的信息进行综合决策判断，并生产控制指令。其输入分为两部分，一是数据处理模块预处理后的数据原型；二是知识管理模块归纳概括的用户习惯信息。根据这两部分输入，决策控制模块需要通过决策算法进行综合分析决策，并输出控制指令。

3.5设备调节模块

设备调节模块是智能信息系统的末端之一，接收决策控制模块的控制指令作为输入，并执行输入信息，从而对居家环境的设备参数进行控制。主要包括：(a)空调温度调节；(b)灯光控制；(c)窗帘调节；(d)蜂鸣器控制。

四、结语

智能家居物联网远程控制系统可以为用户提供真正的自动化、个性化、智慧化的服务，做到根据用户习惯自动调节电器设备以改变环境参数，使用户从各种家电遥控器、控制器中解放出来，数据处理模块作为系统的一部分，承担着本地数据存储管理，为知识管理与决策控制模块提供更准确可靠数据源的职责。

参考文献：

[1] 刘秀彬.基于物联网的智能家居远程监控子系统软件设计[J].电脑编程技巧与维护.2018,(8):66

[2] 江渝川.基于远程物联网的智能家居图形控制系统的设计和实现[J].电视技术.2018,(10):35.

[3] 荀艳丽,焦库,张秦菲.基于物联网的智能家居控制系统设计与实现[J].

现代电子技术.2018,(10):19.