南华大学电气工程学院 大学生研究性学习与创新性实验
摘要：智能家居在现代社会发展速度越来越快，将成为未来居家生活的重要组成部分．鉴于智能家居发展的未来前景，越来越多的企业投入开发智能家居系统．在总结前人成果基础上，以WIFI无线信息通信传输代替传统通信方式设计的一款智能家居系统．介绍了该系统的硬件结构设计、控制系统、客户端软件系统设计及性能测试要求．实践表明，该系统操作简单，且能实现了用户远程实时监控和管理，可应用于智能家居领域．
关键词：智能家居；控制系统；设计；实现
引言
智能家居概念最早是由美国学者提出的，被称为SmartHome．智能家居作为新兴产业正在成为市场的新宠儿。国内智能家居市场发展迅速，由于智能家居实现家电、家居生活、互联网等有机结合，因此也被视为“互联网+”影响下科技对社会一大重要影。国内已经有不少企业投入巨资进入智能家居系统设计领域．实现智能家居的关键技术是总线技术，通过该技术对家居住宅中的各类家电、通信、安防等设备实现智能管理与监控。随着科学技术的发展，现代智能家居是居家住宅为平台，以家中各种设备为控制对象，应用计算机技术、自动控制技术、通信技术等技术构建的家居智能控制系统。智能家居是实现生活智能化的关键技术，该技术的实现由硬件系统与软件系统两部分构成。
1智能家居的主要应用
智能家居作为物联网的主要应用之一，它以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日常事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环家是家居的重要组成部分，家电智能化控制系统的开发和建设已被人们广泛关注。基于目前智能手机Android操作系统的广泛应用，本文研制了一款基于Wi-Fi的智能家居系统，此系统具有电源管理、开关控制、家电设备控制等功能，包括灯光系统、家电系统、遥控类家电智能控制系统，在保留原来功能基础上，实现本地无线控制和远程控制。
2基于WiFi技术的智能家居硬件系统设计
1.1WiFi无线通信技术
传统的智能家居通常采用有线的通信方式,但是存在布线繁琐、扩展性能较差等问题。随着无线技术的普及，特别是云计算、物联网的出现，无线智能家居在其推动下应运而生，并逐渐发展壮大，已成为智能家居系统的首选。红外通信技术、小于1GHz的射频技术、ZigBee通信技术、WiFi技术、Z—Wave技术等是目前连接智能家居产品和移动设备的主要手段。
无线射频技术也已经比较成熟，具有良好的穿透性、成本低廉的优点，但其传输距离短、抗干扰性、安全性较差，且目前绝大部分应用只能单向通讯。Wi-Fi技术突出的优势在于：其一，无线电波的覆盖范围广；其二，传输速度很快，可以达到11mbps，符合个人和社会信息化的需求。而且基于Wi-Fi技术的无线局域网已经日趋普及，因此常称为智能家居无线通信技术的首选。WiFi技术将智能家居的各类家电设备、通信设备、安防设备高效地衔接起来，提供比传统智能家居更舒适、安全、便捷的智能家居生活空间，提高了人们的生活方式，为用户带来了全新的家居生活体验。
1.2WiFi插座的控制原理
WiFi智能插座利用了现有家庭中的WiFi网络，通过客户端操作打开或者关闭指定的家电。可实现普通家电的智能化，即在传统插座和普通家电之间安装一个智能插座，通过WiFi接收智能终端发出的指令，自由的操控连接的设备。WiFi插座是由WiFi模块、继电器控制电路、继电器和输出触点构成。串口WiFi模块根据接收到的控制指令控制继电器的通断，如图1所示。
图1WiFi插座的构成
与普通的WiFi模块相比，WiFi插座可进行数据的无线接收与发送，实现节点之间的互相通信以及节点与Internet网络通信。插座中内嵌的单片机使普通的家电设备无需运行在操作系统上就可运行，实现裸机驱动；同时WiFi插座还内嵌了TCP/IP协议，具备了家庭网关的Internet网络接入功能，家庭局域网与TCP/IP协议间的转换，家庭局域网中各种不同通信协议之间的协议转换等功能，无需家庭网关，可随意扩充插座的数量，可扩展性较强。
1.3基于WiFi技术的智能家居硬件系统整体架构设计
基于WiFi插座的智能家居系统由WiFi插座局域网、无线路由器、Internet网络、手机接入网络和无线控制端等组成。其工作原理主要通过智能终端（PC或者手机）利用无线网络发送控制信号，收到信号的各类传感器设备通过触发控制命令来控制智能插座的通断，从而实现对家居设备的远程、实时的控制。系统的整体架构图如图2所示。
图2基于WiFi的智能家居控制系统结构
采用WiFi插座局域网技术实现对各个节点的控制，即插即用，没有复杂的安装流程，无需单独设立家庭网关，降低了智能家居的成本；可通过插座的随意扩充，实现家庭局域网的随意扩展与缩减，保护了现有的装修环境；并利用无线终端对家庭网络中的任一节点实现本地、远程的自由控制。
3性能测试
3.1基于WIFI的智能家居系统设计完成以后，还需要进行全面的性能测试。通过智能家居系统硬件、控制系统、软件系统等全面的设计，构建了基于WIFI技术的智能家居系统。该系统实现了用户对家居电器的智能远程控制，使生活更加舒适。智能家居的理念被提出已经有很多年了。智能家居系统的设计是实现智能家居理念至关重要的环节。WIFI技术的发展的智能家居系统设计发展有着决定性影响，是智能家居系统更加安全、高效．基于理论提出的设计理念最终被广泛推广应用，还需要对系统进行全面的性能测试。系统性能测试的目的，一方面确保系统设计的功能能够充分发挥作用;另一方面，全面的性能测试还能有效评估系统的稳定性。由于系统在应用中需要应对更加复杂的使用环境和使用条件，只有经过全面的性能测试，才能真正适应市场满足广大群众的使用需要。
3.2为了测试手机控制家居的效果，在距离测试家居10公里外通过手机登录家家居控制系统并发动控制指令，测试运行的服务器数据传输程序。结果证明手机软件与中央控制器实现通信。
3.3对家居智能系统的性能测试要满足信号传输稳定、安全、准确的要求，系统的各种家居设备的控制要灵敏有效。此次智能家居控制系统设计的测试家电以电冰箱、洗衣机、微波炉、电视机、监控器等电器为主。对于使用过程中可能出现的某个设备异常能够及时预警。在满足以上测试要求后，才是一套具有市场投放价值的智能家居系统。
本文对系统的性能测试由两方面组成．一方面是基于实验条件，对智能家居系统软件进行各项功能测试。测试过程中设置一些影响因素，判断系统工作的稳定性和可靠性。另一方面，在系统广泛推广前进行必要的系统市场检测．要求不同年龄、不同区域的用户进行系统使用检测。通过用户的使用真实反映系统存在的不稳定因素。最后，系统通过性能测试被广泛推广后还需要保留端口用于收集用户的使用反馈，为系统优化升级积累丰富经验，系统通过测试后就可投入使用。
结束语
本文设计了一款基于Wi-Fi的智能家居系统，由网关、智能终端组成内网，网关、家庭路由器、Internet组成外网。操作时，手机APP发出指令后，最终经家庭路由器到达网关，经网关过滤后转发给各个终端节点，实现了远程控制，系统同时保留了本地的所有操作功能，保证了用户系统的正常运作。经实际测试，系统稳定性好，操作可靠，达到了预定的设计目的。
参考文献
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论文作者:赵启威,骆泳钢,唐华宇,周涛,熊媛芳
论文发表刊物:《中国电气工程学报》2019年第4期
论文发表时间:2019/6/27
标签：智能家居论文; 系统论文; 家电论文; 插座论文; 技术论文; 家居论文; 控制系统论文; 《中国电气工程学报》2019年第4期论文;