易部署模塊化智能家居系統(tǒng)設(shè)計

引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟，智能家居產(chǎn)品層出不窮，但這些智能家居設(shè)備往往從 設(shè)備 這個點(diǎn)上下手，沒有從家裝方面考慮，且缺乏聯(lián)動性、部署美觀性，成本居高不下。隨著設(shè)備的增多，這些智能設(shè)備的缺點(diǎn)就暴露出來了。

本文提出的智能家居系統(tǒng)由ZigBee 無線個域網(wǎng)、RS 485 有線通訊結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)組成。系統(tǒng)包含家居電源管理功能、家居安全檢測功能、家居環(huán)境檢測功能及一個方便易用的控制終端。支持有線、無線部署。

該系統(tǒng)具有高可靠性、低功耗的ZigBee 核心板或 8051 核心板，核心板與傳感器設(shè)備或繼電器設(shè)備采用模塊化組合方案。該系統(tǒng)以用戶實(shí)際需求出發(fā)規(guī)劃部署，以達(dá)到高效便捷的作用。

系統(tǒng)的控制終端具有外形精美，可作為藝術(shù)品擺設(shè)的控制盒。通過敲擊該控制盒便可以輸入控制信號（即以敲擊序列作為指令），根據(jù)信號管理該系統(tǒng)。這是一種新概念的管理信號傳遞方式，通過敲擊可以輸入控制信號，即以敲擊序列作為指令。

系統(tǒng)具有可擴(kuò)展的公開接口，預(yù)留用于后續(xù)第三方應(yīng)用或電器設(shè)備接入該系統(tǒng)。整個硬件系統(tǒng)由ZigBee 組網(wǎng)技術(shù)或RS 485 通訊網(wǎng)連結(jié)，且接入以太網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)路由器通過DDNS 發(fā)布網(wǎng)絡(luò)管理界面。整體具有完整的可靠性和安全性，并具有開放平臺，為形成生態(tài)系統(tǒng)作好準(zhǔn)備。

1 通用設(shè)備設(shè)計

考慮到走線美觀性和安全性，系統(tǒng)不宜明線安裝部署， 在此基礎(chǔ)上，將設(shè)備設(shè)計成 86 通用暗裝線盒設(shè)備。因此可將

硬件的設(shè)計模塊化到中板和面板中。暗盒結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 暗盒結(jié)構(gòu)

面板采用通用面板，對于特殊傳感器等設(shè)備，如紅外人體， 可在安裝時手動打開槽孔，通用性強(qiáng)；電路的設(shè)計在中板完成， 中板由PCB材質(zhì)制成，核心板、傳感器、繼電器等器件模塊化 ；電源采用市電供電，將 AC-DC電源模塊化，有 DC5V、DC3.3V兩種模塊可選。

模塊均不設(shè)計在中板PCB上，但中板對核心板、傳感器模塊、繼電器模塊保留機(jī)械安裝位置和接口。由此實(shí)現(xiàn)模塊化拼裝，以滿足家裝時的靈活性。

2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

可將設(shè)備分為四類，即協(xié)調(diào)器、控制盒節(jié)點(diǎn)、用電器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)。經(jīng)典應(yīng)用關(guān)系如圖 2 所示。

路由 為普通家用無線路由、客戶端 是手機(jī) App。除控制盒節(jié)點(diǎn) 必須采用通用設(shè)計外，協(xié)調(diào)器 用電器節(jié)點(diǎn) 傳感器節(jié)點(diǎn) 均為通用設(shè)計設(shè)備，設(shè)備間通過 ZigBee 無線自組網(wǎng)技術(shù)或RS 485 有線組建。

系統(tǒng)中三種類型節(jié)點(diǎn)均可具有多個。其中用電器節(jié)點(diǎn)主要由 核心板+ 繼電器模塊+ 市電適配模塊+ 中板（傳感器節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器）組成，用電器節(jié)點(diǎn)可接收來自協(xié)調(diào)器的指令開關(guān)繼電器從而控制電器設(shè)備。通過繼電器模塊即可連接其他多路插座， 單個用電器節(jié)點(diǎn)最多支持控制 8 路插座。

而傳感器節(jié)點(diǎn)與用電器節(jié)點(diǎn)最大的區(qū)別是多樣化，傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)采用的傳感器不同可分為人體紅外節(jié)點(diǎn)、光照度節(jié)點(diǎn)、入侵檢測節(jié)點(diǎn)、火焰檢測節(jié)點(diǎn)、煙霧檢測節(jié)點(diǎn)、空氣質(zhì)量檢測節(jié)點(diǎn)、溫度節(jié)點(diǎn)、濕度節(jié)點(diǎn)等，且后續(xù)可通過系統(tǒng)升級加入更多節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)具有低功耗特性，可采用干電池供電。

如果按通訊介質(zhì)劃分，可分為無線方式和有線方式，采用ZigBee 無線通訊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

由 ESP8266 和 CC2530 組成“協(xié)調(diào)器”設(shè)備。ZigBee 網(wǎng) 絡(luò)節(jié)點(diǎn)間可自由組網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)間最大傳輸距離為 40~200 m，滿 足家庭使用。有線網(wǎng)方式如圖 4 所示。 

兩種方式中“協(xié)調(diào)器”均通過無線接入家用路由器， ESP8266 在局域網(wǎng)中提供 HTTP 服務(wù)供客戶端 App 配置管理 整個系統(tǒng)?？梢酝瑫r存在多個網(wǎng)絡(luò)。

在家中，用戶終端設(shè)備（PC 或手機(jī)）接入路由后使用Web 瀏覽器、客戶端 App 即可管理系統(tǒng)，當(dāng)用戶離家時，還可以通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程管理家中的電器設(shè)備。

考慮到不同用戶的需求和多樣化特性，控制盒支持采用不同材料定制外殼，如陶瓷、陽極鋁合金、塑料等?？刂坪胁捎娩囯姵毓╇?，可以循環(huán)充放使用?？刂坪袃?nèi)置震動傳感器， 通過敲擊可以給控制盒發(fā)送指令，從而控制家中的用電器設(shè)備。另外控制盒還內(nèi)置紅外信號發(fā)射功能，可以實(shí)現(xiàn)家中空調(diào)、電視等設(shè)備的遙控。

3 系統(tǒng)軟件功能

系統(tǒng)具有自主研發(fā)敲擊指令解析算法，該算法實(shí)現(xiàn)了輸入控制盒的敲擊動作去重、消除抖動，并具有防誤操作等功能。

系統(tǒng)通過自主改進(jìn)完成的ZigBee 協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)ZigBee多網(wǎng)狀自組網(wǎng)、信道跳頻防干擾、防網(wǎng)絡(luò)入侵等功能。

系統(tǒng)用電器節(jié)點(diǎn)設(shè)備（如多路插座）具有一個 硬開關(guān) 、一或多個 軟開關(guān) ， 軟開關(guān) 給用電器斷電或上電后可由軟件控制改變用電器狀態(tài)，而 硬開關(guān) 可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制斷電。

系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器提供HTTP 界面和客戶端App 設(shè)計，如簡單的電器設(shè)備、傳感器、控制盒加入、刪除功能，還可以修改控制盒的敲擊指令。另外還具有 智家功能 ，通過該功能， 可以設(shè)置一些自定義 場景 。通過傳感器節(jié)點(diǎn)的配合，實(shí)現(xiàn)如開門時系統(tǒng)通過用電器節(jié)點(diǎn)自動開啟家中燈具，溫度達(dá)到上下限時自動開啟空調(diào)，光照太強(qiáng)時自動拉上窗簾等功能。

4 結(jié) 語

該易部署模塊化智能家居系統(tǒng)具有較強(qiáng)的整體連動性能， 采用模塊化設(shè)計可以加快產(chǎn)品的更新迭代，以用戶需求為出發(fā) 點(diǎn)自由搭配，最終實(shí)現(xiàn)“智能家居”。系統(tǒng)還提供開發(fā)者平臺， 支持接入更多類型的節(jié)點(diǎn)設(shè)備或其他智能用電器設(shè)備，因此保 證了該系統(tǒng)的健壯性和多樣化。最終形成安裝部署工程規(guī)范， 助力物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。