基于物联网的智能家电控制系统设计

基于物联网的智能家电控制系统设计

曾盟

广东松下环境系统有限公司 广东佛山 528000

摘要：随着互联网技术和各类高科技的发展，在新世纪人类已经逐步进入了人工智能时代。信息化技术和物联网的发展，让家电领域也朝着智能化的方向发展，为人们的日常生活带来了诸多的便利。基于物联网的智能家电控制系统由采集器、协调器和家用三相电表组成，软件部分包括主程序、采集器程序和协调器程序，最终实现家电体征检测，无线数据通信，远程实时监控家电使用情况。本文从家电控制系统设计的基本概况出发，接着从多维度详尽分析了物联网技术下智能家电控制设计的基本思路。

关键词：物联网；智能家电；控制系统；设计

引言：在物联网开发中，移动终端与智能硬件远程组网存在大量的问题，如对智能硬件结构要求复杂度较高、对服务器设计程序复杂及专用服务器使用费用较高等，导致了开发门槛高、开发周期长和拓展性能差，且目前许多智能家电产品存在实用性较差的情况，难以适用于普通家庭。智能家电价格也处于较高水平，不被普通家庭接受。因此，现阶段智能家电在我国仍然不能较好普及，大部分家庭仍是以普通的家电为主。现在普通家用电器数量较多，如果以更换家用电器的方式来实现便捷的家庭生活，必然会对社会资源造成浪费。

1、智能家电控制系统结构

本文以一个典型的物联网智能家电控制系统架构场景分析。由于物联网设备中缺少通用的互操作性标准，在智能家居系统中，一般需要设备连接到相应的家庭网关进行协议转换，并不能被其他设备直接访问。智能设备与网关之间的通信通常是采用无线的，最流行的是采用 ZigBee、Z-wave 及Bluetooth 无线通信技术。该网关通过以太网或 Wi-Fi 接口将智能家居内部与外部服务器连接起来。在远程管理的情况下，终端发出的信息通过服务器转发到家庭网关。用户可以与智能家居设备进行交互，通过使用 PC 机、智能手机和平板电脑等不同终端方式。

智能家居控制系统分别由底层结构中的终端设备节点、家庭网关，上层结构中的服务器、数据库、客户端，手机控制终端构成，总体系统结构如图1所示。

图1 智能家居控制系统结构图

系统由下至上分为底层结构及上层结构。底层结构包括终端节点及家庭网关，终端设备节点主要是智能家电设备节点。终端设备节点内置 ZigBee 网络通信模块，用于设备的数据采集和传输。家庭网关由 ZigBee 网络中的协调器担任，而且在协调器上增加了 Wi-Fi 模块，是 ZigBee 网络对外通信的进出口。上层服务器管理所有的 ZigBee 网络及设备内的ZigBee 节点，管理所有的服务其包括数据库服务、设备管理器服务、数据包解析服务及对控制终端支持服务等。客户端设置能耗设备使用量的查询数据窗口，实现社区能耗管理集中控制，方便查询缴费。控制终端采用 Andriod 智能手机终端，是智能家电控制系统对外的管理端，可用于实时查看整个系统的运行状况并完成对系统的控制和数据查询。

1.1底层智能家电控制节点

家电控制节点负责接收家庭网关发送的家电控制报文，并对其进行解析，继而通过执行器实现对家电的控制，同时反馈自身当前的状态向家庭网关。设备不同所需执行器类型也不同，具体有红外控制、继电器控制、电机控制三种类型的执行器，智能家电控制系统示意图，如图2所示。

图2 智能家电控制系统示意图

1.2上层服务器及客户端框架设计

系统上层结构主要包括服务器及客户端。首先对服务器进行模块化设计，目的是为了提高系统的可维护性以及降低开发智能家居控制系统的难度系数，根据不同的功能模块拆分成各个独立的部分，保证不同的块拥有统一的接口，并通过自动加载模块，模块间各尽其责、互相交互使服务器完成管理的任务。服务器的结构图如图3所示。

图3 服务器结构图

2、智能家电控制节点硬件设计

智能家电控制节点由无线通信模块、执行模块及受控家电终端三部分构成。其中无线通信模块负责底层家电的无线组网以及智能家居网关与家电控制终端节点间的数据传输，并将由家庭网关发来的信息进行解析，根据解析的数据进行相应的控制操作。采用自学习型红外执行模块，实现无线控制家电，采用继电器模块和电机驱动模块控制相应设备。电源管理模块具备供 CC2530 模块使用的 3.3V、继电器模块使用的 5V 及进步电机使用的 24V 稳压电压。总体设计如图 4。

图4 智能家电控制节点硬件总体设计图

2.1执行模块电路设计

为实现对各种不同接口及协议的智能家电，如电视机、空调、冰箱等家电设备的控制，选用红外自学习型遥控模块 IR001。该红外模块支持串口通信方式，具有红外收发一体探头，较强的扩展性，可以学习 16～80kHz 载波频率的遥控器。由 CC2530 通信模块及红外学习模块 IR001 构成 ZigBee 红外控制终端，通过RS232 使终端红外学习模块与 CC2530 模块相互通信，实现红外指令的学习、保持及转发功能。ZigBee 红外控制终端框图如图5。

图5 ZigBee 红外控制终端框图

2.2电源管理模块电路设计

家电控制器的电源管理考虑到家居设备的多样性，可提供 3.3V 的直流电压供ZigBee 无线通信模块使用，提供 5V 的直流电压供执行器中的红外、继电器和电机驱动模块使用，提供 24V 电压为驱动步进电机。为使用方便，电源电路采用室内配电线路的单相 220V 电压经过变压器降压，整流后再通过稳压芯片 LM7805、LM7824 和 AS1117 进行稳压。具体电源管理模块电路图如图6。

图6 电源管理模块电路原理图

3、智能家居控制系统软件设计

家电控制软件设计要求可以对服务器和各个控制终端做出相应的应答与动作。实现家电控制功能，同时向家庭网关反馈家电的当前状态，接收服务器命令及信息数据的上传。系统的工作过程为家电终端节点初始化，节点中的 CC2530模块接收数据，通过报文中的地址信息进行判断，当目的地址不匹配时，将接受到的报文丢弃。匹配时将报文中携带的数据进一步解析判断看接收到的指令是否符合本节点的设备类型，后经 CC2530 串口发送至执行器，执行相应操作，并通过CC2530 模块发送反馈报文。设计流程如图7。

图7 家电控制节点软件设计流程图

4、系统功能测试

系统建设完成进行相关的测试，从底层开始包括家庭网关中 ZigBee 协调器的建立、ZigBee 终端节点的加入，将 ZigBee 协调器上电启动，建立起 ZigBee 网络，依次启动终端节点，在连接协调器的电脑端打开 ZigBee Sensor Monitor 软件进行测试， ZigBee 网络中的节点逐渐增加。ZigBee 协调器及 ZigBee 终端节点启动成功显示界面。接着进行终端设备的跌倒监测有效性实验、继电器控制，Android 手机客户端检测，到上层结构服务器的配置连接。通过对智能家居控制系统的测试，分析所设计的智能家居控制系统的实用性能，对测试过程中出现的问题进行分析和及时的解决。智能家居控制系统采用 ZigBee 无线通信方式将原本不同的通信方式融合为整体，表明了本设计的有效性，与传统智能家居控制相比，更好的为人们的生活提供舒适便捷的生活环境。

5、智能家电控制系统未来发展趋势

5.1智能互联

智能互联将成为优质家电的“标配”。就像手机行业所经历的从功能机到智能机的转变一样，家电行业也正在向“智能化、数字化”转型，自动监测、自动测量、自动控制、自动调节与远程控制等将成为下一轮产业升级、消费创造的热土。英国未来咨询发布的“全球家电市场”报告预测，未来几年智能家电将占到全球市场一半以上的份额。

5.2智能家电控制

与智能照明控制类似，能够对住宅中的空调、洗衣机、冰箱、电饭锅、地暖等家用电器进行智能控制，最大限度地提升人们生活舒适度。夏天时通过对空调进行远程智能控制，各个房间按照用户不同的使用习惯来设置有针对性的工作模式，并实现自动恒温管理。对家庭冰箱进行智能化管控，进而对食品生鲜进行有效管理，让冰箱内的各种食物都能够在不同时间段保持最好的状态，实时掌握冰箱内存储食品的类型、数量和时间等，定期提醒用户补充生活必需品、提供食物的科学搭配、推送营养菜谱等。

结束语：

综上所述，随着云技术发展，物联网逐渐以“云”为连接中心，对数据进行存储，计算、处理以及共享。物联网依靠着云技术逐渐走向大众，不断服务社会，造福人类。本智能家电控制系统提供广泛的信息交互功能，优化居住环境，帮助人们有效地监控家电、防盗报警、节约能源等控制，实现了远程控制功能，可根据实际需求添加子系统，系统兼容性和稳定性较好。

参考文献：

[1]邹少琴.基于物联网技术的智能家居设计[J].大众标准化,2021(22):222-224.

[2]罗振宇.物联网技术的智能家居系统设计与应用[J].电子世界,2021(19):5-6.

[3]吴思楠.基于物联网的智能家居控制系统设计与实现[D].扬州大学.2016.