基于无线通信技术的智能家居系统的硬件方案设计

王玉权，闫 艳，罗 伟

（深圳市大景智能控制有限公司，广东深圳 518000）

基于无线通信技术的智能家居系统总体设计如图1所示。系统按功能可分为服务器、移动设备客户端、智能网关和智能插座。按结构可分为室内部分、室外部分和服务器部分。

图1 系统整体设计图

1.1 室内部分

室内部分主要包括智能网关和智能插座。用电器直接插在智能插座上运行，智能插座对其用电量进行计量，并采集其电压、电流和功率等信息。智能网关一端接网线与服务器通信，一端通过电力线载波通信技术与室内所有插座通信，收集智能插座的开关状态和用电数据，定时通过网络上传到服务器，服务器通过特定的命令格式对智能网关下发实时控制或读取命令，智能网关收到命令后通过电力线载波通信技术发送给指定智能插座以执行，并将结果返回给服务器。电力线载波通信技术是利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术，既经济又十分可靠。

1.2 室外部分

为了实现用户可以随时随地在任意一种网络下对自己家庭所有用电器的监控，除了可以通过PC 浏览器方式登录服务器外，还针对智能手机提供了一款客户端软件。用户可以选择PC 方式或智能手机客户端的方式登录服务器获取自己家庭中的每个用电器的工作情况和用电量等信息，并可对其进行控制。

1.3 服务器部分

服务器实现以下功能。

（1）提供接口监控现场设备。服务器对所有连接的家庭网关进行响应，并将其上传的定时数据保存到数据库，实现用户可以查询自己家庭总用电量或单一用电器用电量的历史信息。服务器还可以通过特定的命令帧格式对每个家庭智能网关下发实时控制和实时读取命令。

（2）静态和动态网页信息发布。响应PC 以浏览器的方式登录服务器，并响应其发出的读取和控制命令并执行，实现用户PC 浏览器方式的登录、查询、控制。

（3）提供接口监听移动设备客户端的连接。响应智能手机和Pad 客户端的方式登录服务器，并响应其发出的读取和控制命令并执行，实现用户不同地域、不同网络下的登录、查询、控制。

2.1 家庭内部网络中传送信息方案设计

2.1.1 内部控制网络系统信息设计

内部控制网络系统的主要功能是实现家庭网络与内部通信控制网络的其他信息之间的有效通信和互补。在这种特殊情况下，信息传输信息应主要是电气控制和工具开关上的各种物理信息数据（如打开/关闭电视、照明等）信号，以及其他电子装置和控制家用电器有关的电气物理参数资料（如空气湿度、温度、不同程度的气体等）。其特性定义了各种信号和传输速度的基本要求，但事实上这可能是为了一个更高层次上的信息和传输过程的可靠性。

2.1.2 多媒体信息设计

多媒体信息设计主要是关于网络和用户界面之间的交互。在这种情况下，设备包括PC、电视录像机、数码相机移动电话、固定电话、音频等。主要应用是控制音频、图像和数字视频信号，信息的传输和速度则需要有更高一级的速度水平，一般要求可达10 Mbps 及以上。至于数据传输本身的可靠性，对系统精度的要求不如实际控制信息的精度高。摄像机、数码相机、各种移动电话、固定电话、音响系统设备等信号传输介质主要是各种音频信号和数字视频信号。信息对传输信号速度有很高的要求，一般可达10 Mbps 或更高。然而，就信息传输过程的稳定性和可靠性而言，其速度要求不如受控的信息传输速度高。

2.2 无线通信系统内置系统设计

内置的系统将软件整合到硬件系统中，软硬件是针对特定应用程序的内部目标计算机系统。随着互联网技术的发展，内置的技术可能比以往任何时候都多。小型软件代码、高度可靠性、系统有序、有针对性和相应的速度，并进一步得到广泛的应用。内置的系统经常使用特定的特殊设备，它们非常敏感，有时是实时的，通常是非常有限的工具，比如处理器，存储设备。特别是网络技术的发展，广泛传播，并提高内置系统的作用和效果。源代码是公开的，每个人都可以免费下载，也可以通过自己的Linux 应用来改变，这是最受欢迎的操作系统。Linux 操作系统遵循GPL 协议，因此用户不需要支付许可使用费，也可以使用互联网应用软件，用于许多源代码。UClinux 是Lineo的主要产品，它为实现目标处理器、紧凑、和小型的Linux 系统而出现，可以在许多平台上移植。稳定和良好的移植，支持更多的CPU 和英伟达的网络功能等。这是一个很受欢迎的操作系统。内置的气闸（中央控制器）是设计的核心内容，具有重要意义，其设计是关键作用。一个内置的舱门设计必须考虑到系统的稳定性和高度可靠性，保证系统的安全、维护、扩大和兼容性。设计平台必须充分考虑内部资源和外部接口。

2.3 QT终端控制系统设计

由于QT 中的终端控制系统采用到了已经在整个ARM 开发板上都广泛被使用得到的KT 接口，其中还使用了一个7英寸的屏幕，所以终端界面和终端服务器界面只能是在整个ARM 板上工作。因此，QT中必须要使用管道控制以做到尽可能地避免了TCP/IP 数据冲突。QT 终端：QT 控制模式在打开服务器时就会被自动启动。一旦客户选择了模型，系统就会被扔在管道上，进入管道服务器，并将它们发送到服务器进行分析和处理数据，在QT 终端中介绍，并将其映射到网络中。它们都是为数字系统开发的，并方便地将数据传送到平台上。管道服务器自动创建文档，实时跟踪管道，以获取数据服务器数据。网页和QT的数据流是相同的，相同的是TCP/IP，就像服务器一样。

2.4 红外信息技术设计

红外信息技术是一个数据传输协议，这是传统设备之间的替代品。通常在1m 范围内，在红外线范围内，通信是近距离的红外线。IrDA（红外线）限制了在850 nm 到900 nm 范围内使用红外数据的波范围。IrDAl 协议，然后是IrDAl。提高通信速度达到4 Mbps，在IrDA 达到16 Mbps 的最高速度。由于红外线的传输没有受到干扰和低成本，因此广泛应用，主要是在家庭条件下，以及电子产品提供的红外接口。然而，红外线信号的无线传输时间是极为短暂且不均匀透明的，无法完全穿过墙向任何其他的房间发出任何遥控的信号，所以该技术也只适合用于控制无线传输和发送多媒体信息。高速无线传播具有速度快、高带宽、小容量电力、隐私、低成本和容量巨大等显著优势，然而，其高宽度加剧了UWB 系统对现有无线移动通信系统造成的干扰。由于其高速度，UWB 的数据传输性能非常适合应用在TV、PC、打印机、声音、声音、DC/DV 和其他的媒体上传播多媒体信息。红外技术则在一个超短传播距离范围内完全可以分别适应上述两种媒体信息类型之间的处理,实现视频监控、电子设备设计并确保这个系统有更高的兼容性和稳定。

3.1 整体设计流程

该门户网站定期向服务器发送有关能源消耗和家用电器状态的数据，并将其存储在数据库中，该库保存所有家用设备的历史记录总体系统工作流程（见图2）。

图2 系统整体工作流程

（1）用户登录：用户输入您的家庭用户名和密码，通过网络连接到服务器的代码，服务器接收到用户凭据之后读取数据库标识返回客户或搜索用户合法性有关成功连接设备的信息。

（2）全部读取有关电力或特定电器的历史信息：成功连接后，用户可以决定读取不同阶段服务器交换机历史记录，并从数据库导出并返回到计算机（浏览）。

（3）用户发出设置命令、读取实时信息或实时检查电器：成功后，您可以为家庭门户设置相关参数，当收到命令时，服务器会通过网格将其发送到相应的用户门户。

下载后，在保存设置信息的同时验证用户名和密码，用户可以请求或访问自己家庭插座的实时信息进行控制：服务器实时接收到命令后，将其转发到相应的门户，在门户中找到相应的插槽并运行，通过服务器将结果返回给用户。

3.2 智能手机和Pad客户端软件流程

程序启动后，首先加载软件所需的图片资料等资源，然后显示用户登录界面。此时，用户可以选择进入设置服务器IP 地址和端口的界面。设置成功后，按确认键返回用户登录界面。用户填写其家庭的用户名和密码，然后单击登录。服务器验证成功后，软件自动连接到服务器，此时软件会自动从服务器下载并显示用户当天的家庭总用电量信息，可以选择在成功登录后查询总用电量的历史信息。用户可以点击按钮选择插座（控制或查询任何插座）功能，软件将连接到服务器下载用户家中的所有智能插座信息并显示在列表中，用户可以选择智能插座同时查询任何历史用电量信息和当日用电量信息，该界面提供了用户选择的插座的状态信息和控制按钮。用户单击此按钮，软件将连接到服务器以发送请求。在服务器找到指定网关下的套接字进行控制后，它会将结果返回到用户界面（图3）。

图3 智能手机客户端软件流程

文章所讨论的系统经过设计和调试，已经在实际场景中进行了测试。长期实践证明，系统能够完成以下功能，性能可靠稳定。

（1）实时控制任何家用电器的工作状态。

（2）实时查询家庭总用电量、各电器用电量、各电器实时状态。

（3）查询历史用电量信息对每台家电的使用频率、工作效率和工作能耗有直观的概念，对每台家电的高效使用起到了支撑作用。

介绍了一个基于无线宽带通信技术的智能家居系统的完整硬件方案设计，包括对每个系统各部分的具体硬件组成和完整软件的操作流程的分析。测试和运行效果表明，实现了基于无线通信网络技术、广泛应用于电力线网络载波通信技术的新一代智能家居应用系统。基于创新技术与以人为本的科学原理，人们可以在日常生活中更高效地管理和生活，满足了现代科学技术飞速发展的社会需求，也证明了该系统具有巨大的优势和市场前景。