智能家居系统的设计与实现

一、选题的背景与意义

1.1 研究开发的目的

物联网正成为继互联网革命后的新一代信息技术的创新革命。物联网将各种终端连接起来，实现互通互连，资源共享，并从计算机扩展到生活工作的各个地方[1]。本课题所研究的智能家居系统也是物联网发展的一部分，智能家居以住宅为平台，利用计算机技术、嵌入式技术、传感器技术等相关技术将家居生活有关的设施集成，构成高效的住宅设施与家庭日程事务管理系统，集系统、结构、服务、管理、控制于一体，提升家居安全性、高效性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的健康居住环境。本次设计将采用以树莓派为载体，将几个有关智能家居应用的独立功能和相关服务整合在其上运行[2-5]。

随着21世纪社会经济的迅速发展，人们对于智能化的需求越来越迫切。1984年，美国联合科技公司（United Technologies Building System）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国Connecticut Hartford的CityPlace-Building，标志着首栋“智能型建筑”的诞生，拉开了全世界争相建造智能家居的序幕[6-9]。2009年，“物联网”成为全球瞩目的关键词，伴随着智能手机的发展，物联网技术的成熟，都让只能家居业迎来了发展的春天。“物联网”被成为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，其作用是通过传感器和互联网衔接以实现对物体的远程控制与感知。物联网的大潮将会把无线射频的智能家居系统推到一个史无前例的市场高度[10]。

1.2 国内外研究发展现状

1.2.1智能家居发展现状

智能化住宅小区在发达国家起步较早，始于20世纪80年代，装备有各种通信、家电、安保等措施，通过总线技术应用计算机和信息技术，实现监视、控制与管理等智能功能[11-13]。

我国的智能家居相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准，主要采用国外的技术和产品。当然也陆续出现了我国自主开发的代表性智能家居系统，如海尔的“e家庭”、清华同方的e-Home数字家园、合肥工业大学的“智能家居与家居服务器”等产品，这些都是各大企业和科研单位从不同角度和立场理解智能家居的结果。一个具有良好应用前景的家居系统必须具有开放性和可拓展性，以及使用和维护的简单方便[14-16]。

智能家居对我国来说还是新鲜事物，目前正处于初级阶段，有关的系统理论还在不断发展、完善。随着智能家居的新技术、新产品日新月异地发展，对它的认识也将不断地提高和深入。

1.2.2智能家居研究主要成果

智能家居的起源可以追溯到20世纪80年代初，那时大量的电子技术被应用到家用电器上，最初被称为住宅电子化HE(Home Electonics):80年代中期，将家用电器，通信设备与安保防灾设备各自独立的功能综合为一体后，形成了住宅自动化概念HA（Home Automation）:80年代末，由于通信与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通信，家电，安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这在美国称为Smart Home[17-20]。

智能家居，或称智能住宅，在英文中常用Smart Home、Intelligent home，与此含义相近的还有家庭自动化 （Home Automation）、电子家庭（Electronic Home、E-home）、数字家园（Digital family）、网络家居（Network Home），智能建筑（Intelligent Building）。

1.2.3智能家居存在的问题

（1）标准不统一：适度竞争可以促进技术的进步，但过多的竞争就会造成资源的浪费，短期的利益的驱使也可能会使技术和市场引向歧途，因此推动各个层面标准，技术，产品的融合，规范是目前智能家居面临的问题之一。

（2）技术专业化程度高：智能家居产品结合多门技术需要专业人员进行安装，调试和使用培训，使得用户在使用时需要进行复杂的操作。

（3）成本耗费高：智能家居涉及到计算机、通信、自动化、电子等多个学科领域，没有一个企业能够以一己之力毕其全功。目前，国内与家庭自动化相关的产品较多，但智能化水平偏低，其产品和服务仅仅作为人工的一种补充，而不是改变生活方式的主要力量。

(4)产品不够傻瓜：真正的智能家居应该是一种自然交互，整合的和基于用户习惯的控制方式。用户可以通过说话、短信或者单独的触摸控制来实现与房屋的交互，即操作步骤不需要太过繁杂，用户只需要通过发出简单命令，就能达到想要的结果[21]。

1.2.4智能家居对策和措施

智能家居的设计原则应该从以下几个方面考虑。

（1）使用便利，整合度高：无论何时何地用户都能掌握家庭动态，可以通过身边的PC、手机等设备，结合互联网来实现对家用电器和其他设备的控制，多功能集合，家用电器接到指令后进行相应的动作[22]。

（2）可靠性高：智能家居能够随时接收信号，24小时工作，并能保证相应设备可靠动作，在停电或故障时也能够做出相应的应急处理，设置可靠地报警系统第一时间向用户传递信息。

（3）标准统一化：智能家居虽然涉及多种技术，但是某些技术在国际上都有标准协议，例如射频技术最常用的标准有：ISO14443A/B/C、ISO15693、13.56M，传输上常采用TCP/IP协议，这将使不同产商之间的系统可以兼容与互联[23]。

（4）价格逐渐低廉化：随着微型硬件设备成本的不断下降及通信技术的发展，用户可在原有的有/无线网络上进行扩展。

（5）上手容易，维护等操作简单：作为家庭控制的核心，整个系统将可以控制整个家里的任意各种设施，所以操作要简单容易，出现问题的时候要有很好的可以解决方案，过于繁琐复杂的操作都讲导致整个智能家居系统的可使用性。

二、研究开发的基本内容、目标，拟解决的主要问题或技术关键

2.1 研究目标

本次课题设计主要想要实现家居环境的智能化，模拟家居环境，并设计出可以改善生活并逐步实现的家居智能化系统，主要包括安全防范及消防报警自动化、家电设施自动化、信息和通讯自动化、各设备之间的协同工作和环境与节能灯相关功能。智能化的家居系统旨在原有的家居环境下更进一步的将居家环境优化、便捷、安全、方便。从总体上看，智能家居是指将各种信息设备和住宅设备通过家庭网络连接起来，并保持这些设备于住宅的协调，从而构筑成舒适安全的信息化居住空间，以便于实现在信息社会中负有创造性的生活。

2.2 研究的基本内容

近年来智能家居的概念越来越为人们所熟知，智能家居慢慢地融入我们的生活，提高着人们的生活质量。通过开发板与网络实现远距离监测及控制家庭电器情况，起到防火防盗防烟雾的作用，并且能合理规划用电及适应场景的家电控制。

本项目旨在实现一个小型的智能家居系统，主要功能包括：

（1）家庭用电优化。系统通过计算各个家电最优的使用时间，达到电费的最小化。

（2）适应场景的家电控制。根据家电的使用场景，自动完成一系列家电的开关，提高用户使用家居的舒适度。

2.3 需要解决的技术难点

本次设计计划采用树莓派作为主控计算机，由于其价格低廉但是性能完好，可以媲美早先的家用计算机，而且鉴于其拓展容易，所以本次设计计划采用。在系统方面采用官方推出的系统raspbian，基于Linux下的优化过的系统，稳定性高，而且可以移植很多Linux软件，或者脚本，开发较为容易。系统经过优化，稳定性大幅度上升，而且功耗得到降低，但是可实用性并没有有所缩减，该有的视频输出、网络接入、可拓展引脚都得到很好的保留，也得到相应的优化。

三、研究开发的方法、技术路线和步骤

在智能家居的系统设计方面，计划采用Qt作为界面设计的工具，由于其的跨平台优势，使得设计得到很大的方便，在高性能的计算机上设计，并测试通过后可以直接移植到对应平台，出现的问题也可以很好的找到和解决。Qt的界面设计在其官方的QtCrate上很容易进行。由于树莓派的性能有限，Qt这种需要大资源的软件在对源码的编译和测试将会耗费大量cpu资源，而且耗时很长。所以为了解决这一问题，难题之一就是解决相应的跨平台编译问题，即交叉编译环境的搭建。

在软件实现部分，本次设计计划采用模块化设计，对于每个模块进行单独的设计，最后对于相互不影响的程序代码进行多线程的控制，使其同时进行。对于那些具有先后顺序的程序代码就进行相应的控制加以实现，在Qt的界面下面，对于所有的代码进行整合并归类。

模块设计将会分为下列几个模块：

（1）智能灯光控制（全开全关、调光、颜色变化，设置灯光场景）目标：节能、环保、舒适、方便

（2）智能家电控制：电动窗帘控制盒，红外线转发器(空调、电视机、DVD碟机、蓝光播放器、功放、音响、机顶盒、投影幕布、投影仪)，86型智能遥控插座（饮水机、热水器、微波炉)，无线温/湿度传感器，无线触摸开关面板

（3）安防监控系统：网络摄像头，通过Web网页管理和维护设备，实现远程配置（防盗，防燃气泄露，防火、报警、远程监控）

四、研究工作总体安排与时间进度