程治永

（深圳市富視康智能股份有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

智能家居作為綜合互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、自動控制技術(shù)等高新技術(shù)的集合體，正逐漸替代傳統(tǒng)家居系統(tǒng)，應(yīng)用在各種住宅建筑上。智能家居主要依托于各類智能化產(chǎn)品，如何對這些設(shè)備進(jìn)行合理控制，使家電更加智能、更加安全可靠，是智能家居發(fā)展和研究的重點(diǎn)之一。對物聯(lián)網(wǎng)下智能家電的控制開關(guān)設(shè)計(jì)和研究，有助于推動智能家居自動化、智能化的發(fā)展，發(fā)揮出智能家居在居家生活中的優(yōu)勢。

1 研究背景

1.1 控制開關(guān)現(xiàn)狀

控制開關(guān)指的是一類用于電氣控制或過程控制的特殊開關(guān)，具有控制電路通斷、隔離強(qiáng)弱電、定位-復(fù)位操作及閉鎖操作等功能。傳統(tǒng)家居電器的控制開關(guān)都設(shè)置在本地，通過在機(jī)殼內(nèi)和墻壁上布線，使用線纜插座實(shí)現(xiàn)連接。墻壁開關(guān)的設(shè)計(jì)思路較為簡單，布線方式直接，因此廣泛應(yīng)用在普通家居裝修上。隨著用戶對家電需求的增大，傳統(tǒng)開關(guān)的弊端也逐漸暴露。

（1）連接日益復(fù)雜。傳統(tǒng)開關(guān)對單個(gè)電氣設(shè)備的連接較為方便，但電器的增多意味著線路網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度變高，布線過程中需要盡量縮短傳輸距離，同時(shí)避免交叉和大量彎折等，這為家庭電路網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和設(shè)計(jì)帶來了挑戰(zhàn)。

（2）傳統(tǒng)墻壁開關(guān)的使用壽命短。對于需要反復(fù)啟停操作的電器設(shè)備，使用過程中會極大降低開關(guān)的靈敏度，縮短開關(guān)的使用壽命，容易引發(fā)安全事故；同時(shí)，開關(guān)及連接線纜長期暴露在空氣中，會對安全性造成一定影響，例如浴室內(nèi)照明開關(guān)及熱水器開關(guān)，如果防水、防塵工作不到位，開關(guān)會受到水蒸氣侵蝕而失去保護(hù)作用，從而引發(fā)安全故障。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)意為萬物互聯(lián)，指的是設(shè)備互聯(lián)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)設(shè)備間以及云端通信的一種新興技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將日常生活中的各類設(shè)備和事物通過互聯(lián)網(wǎng)連接起來，通過微型傳感器和處理芯片，這些物件可以自動智能地與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，由此實(shí)現(xiàn)事物的自動化和智能化。

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集和交換實(shí)現(xiàn)運(yùn)作。一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包含智能設(shè)備、應(yīng)用程序和圖形界面3個(gè)部分[1]。智能設(shè)備是一類裝備有傳感器、可連入網(wǎng)關(guān)的、具有計(jì)算能力的設(shè)備，包括家電、安全攝像頭、可穿戴設(shè)備等，它們可以從環(huán)境中收集數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間通信；應(yīng)用程序是一類軟硬件的結(jié)合，具有整合智能設(shè)備數(shù)據(jù)、進(jìn)行智能決策和執(zhí)行控制命令的功能，能夠?qū)Νh(huán)境做出響應(yīng)；圖形界面是用戶和設(shè)備的連接通道，將各種數(shù)據(jù)展現(xiàn)給用戶，同時(shí)對用戶的控制命令進(jìn)行管理統(tǒng)籌并傳送到下級執(zhí)行單位。

1.3 智能家居

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家庭內(nèi)各類設(shè)備互相連接，形成一套集照明控制、空調(diào)控制、影音服務(wù)和安全防范等功能于一體的家居服務(wù)系統(tǒng)，構(gòu)成了智能家居[2]。相比傳統(tǒng)家居設(shè)計(jì)，智能家居不僅保留了居住功能，同時(shí)擁有電子設(shè)備的智能控制，兼具環(huán)境監(jiān)控、安全警報(bào)、全屋信息化、智能化功能，為住戶提供多方位信息交互功能和控制手段。此外，智能家居也可以節(jié)省能源，避免資源浪費(fèi)，帶來經(jīng)濟(jì)效益。

智能家居作為一個(gè)新生產(chǎn)業(yè)，目前仍處于發(fā)展階段。我國已有大量廠商和品牌在智能家居設(shè)備方向活躍，但其軟硬件的兼容和配合仍需要持續(xù)優(yōu)化。因此，對其操作系統(tǒng)及相關(guān)控制設(shè)備的研究，為提高智能家居運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性、推動行業(yè)發(fā)展有著極為重要的意義。

2 物聯(lián)網(wǎng)控制開關(guān)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推動下，智能家電的控制方案有了更多的選擇和應(yīng)用。智能家居的控制開關(guān)設(shè)計(jì)，需要綜合考慮以下因素。

（1）針對智能家居的使用場景，具備多點(diǎn)控制功能。傳統(tǒng)開關(guān)只能實(shí)現(xiàn)一對一控制，針對智能家居生態(tài)中設(shè)備種類繁多的場景，其控制開關(guān)必須實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備的分別控制，互不影響。

（2）控制開關(guān)如何融入智能家電生態(tài)。傳統(tǒng)開關(guān)不具備聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測等功能，只能通過人工控制開合，不利于家居智能化的推進(jìn)。智能家電控制開關(guān)需要具備聯(lián)入物聯(lián)網(wǎng)平臺的功能，從而實(shí)現(xiàn)與設(shè)備間的通信，更好地與智能家居設(shè)備配合。

（3）具備遠(yuǎn)程控制功能?？刂崎_關(guān)必須具備遠(yuǎn)程操控的能力，不受空間約束，從而讓用戶實(shí)現(xiàn)對家電設(shè)備遠(yuǎn)距離的控制，提升設(shè)備使用的便利性，提高生活品質(zhì)。

綜上所述，基于無線技術(shù)的控制開關(guān)不需要傳統(tǒng)物理線束連接，且可以依托互聯(lián)網(wǎng)平臺融入到物聯(lián)網(wǎng)智能家電生態(tài)中，是目前智能家電控制開關(guān)的設(shè)計(jì)方向[3]。無線技術(shù)包括調(diào)頻無線技術(shù)、紅外無線技術(shù)和藍(lán)牙無線技術(shù)3種，在自動控制、遠(yuǎn)距離通信、日常生活等場景都有著廣泛應(yīng)用。

無線控制開關(guān)方案相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要有以下優(yōu)勢：首先不需要物理線束連接，因此設(shè)備安裝靈活，控制方便，可以在任何空間位置實(shí)施開關(guān)動作；其次，無線控制開關(guān)具有高兼容性，依托互聯(lián)網(wǎng)平臺，可以和所有支持聯(lián)網(wǎng)的智能設(shè)備聯(lián)動，通過局域網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)對家電的智能化控制，還可以通過圖形界面實(shí)現(xiàn)用戶交互；同時(shí)，無線控制開關(guān)集成度高、成本低，不需要繁雜的電子設(shè)備支持，因此符合綠色節(jié)能的設(shè)計(jì)理念。

2.2 模塊選取

無線智能家電控制開關(guān)包括主機(jī)模塊、從機(jī)模塊、信息處理模塊和用戶界面，其工作流程如圖1所示。用戶通過手機(jī)應(yīng)用或開關(guān)上的交互界面輸入指令，經(jīng)過信息處理模塊后向主機(jī)發(fā)送控制命令，主機(jī)隨即向裝載在智能家電設(shè)備上的從機(jī)模塊傳輸控制指令，從而實(shí)現(xiàn)對家電的控制。同時(shí)，控制開關(guān)還通過主機(jī)模塊與外設(shè)傳感器通信，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境變量的智能監(jiān)測和控制，若環(huán)境變量觸發(fā)其控制信號，主機(jī)模塊可自主向從機(jī)通信從而執(zhí)行相應(yīng)控制動作。

圖1 無線智能家電控制開關(guān)工作流程

主從機(jī)模塊用于無線通信。目前市場上常采用藍(lán)牙模塊或Wi-Fi模塊進(jìn)行通信，物聯(lián)網(wǎng)藍(lán)牙方案可采用高度集成BLE5.0藍(lán)牙模塊，支持SPI/UART/TWI通信協(xié)議，可以嵌入大多數(shù)智能家電設(shè)備中，其通信性能良好、功耗低、接收靈敏度高、傳輸距離遠(yuǎn)、封裝小[4]。IoT-WiFi方案可采用內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧的無線Wi-Fi模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口或TTL電平數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。

信息處理模塊可采取單片機(jī)或arduino硬件平臺，其體積小、集成度高、使用便捷，適合物聯(lián)網(wǎng)智能家電應(yīng)用場景。

傳感器模塊可選取溫濕度傳感器、光照傳感器及智能攝像機(jī)等設(shè)備，與控制開關(guān)搭配實(shí)現(xiàn)對外部環(huán)境的感知和智能動作。

用戶交互可通過開發(fā)相應(yīng)軟件和應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)手機(jī)移動端的實(shí)時(shí)信息查看和人工操作等功能?？刂崎_關(guān)采集到的環(huán)境信息及家電運(yùn)轉(zhuǎn)情況，通過互聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送至用戶手機(jī)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)用戶對智能家電設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控；同時(shí)用戶可以在手機(jī)端輸入指令，通過互聯(lián)網(wǎng)與控制開關(guān)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方遙控智能設(shè)備。

3 應(yīng)用場景

無線智能家電控制開關(guān)可廣泛應(yīng)用于各類家庭住宅及辦公場景。家庭應(yīng)用中，借助家庭網(wǎng)關(guān)這一核心部件構(gòu)建家庭局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部智能設(shè)備的數(shù)據(jù)交換以及與外部網(wǎng)絡(luò)的通信，從而構(gòu)建全屋智能生態(tài)。無線控制開關(guān)可以對接入局域網(wǎng)內(nèi)的智能家電進(jìn)行監(jiān)測和自動控制，實(shí)現(xiàn)諸如屋內(nèi)燈光調(diào)節(jié)、空調(diào)系統(tǒng)的智能啟停、電器省電模式切換等功能。

其中一個(gè)應(yīng)用場景是結(jié)合智能攝像頭，構(gòu)造全屋家庭監(jiān)控及安防系統(tǒng)。智能攝像頭可選取深圳富視康公司生產(chǎn)的826系列夜視智能攝像機(jī)，其工作示意如圖2所示。826夜視智能攝像機(jī)擁有移動偵測、夜視錄像功能，支持多終端同時(shí)查看畫面，可上傳錄像文件到云端，實(shí)現(xiàn)回放及后期處理等需求。配合無線控制開關(guān)，攝像頭可以在全屋無人值守的情況下實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)控畫面到用戶手機(jī)端，方便用戶對家中各個(gè)設(shè)備進(jìn)行可視化監(jiān)督，并及時(shí)采取措施，例如遠(yuǎn)程關(guān)閉屋內(nèi)燈源以達(dá)到節(jié)省能源的目的。同時(shí)智能攝像頭具備的運(yùn)動傳感器可以對運(yùn)動中的物體進(jìn)行捕捉，在陌生人闖入的情況下，可以實(shí)時(shí)將監(jiān)控畫面?zhèn)鬏斨劣脩羰謾C(jī)并發(fā)出警報(bào)，同時(shí)控制開關(guān)自動執(zhí)行電子門鎖關(guān)閉等動作。

圖2 826夜視智能攝像機(jī)工作示意

除此之外，攝像頭可通過外接同系列RF盒子，搭配各類RF智能家電，從而實(shí)現(xiàn)無人值守時(shí)的居家控制和遠(yuǎn)程操控，無需用戶在現(xiàn)場處理各類情況。RF外接盒子及相關(guān)產(chǎn)品搭配如圖3所示。

圖3 富視康公司生產(chǎn)的RF外接盒子及相關(guān)聯(lián)動設(shè)備

4 系統(tǒng)優(yōu)勢

采用無線控制開關(guān)技術(shù)聯(lián)合物聯(lián)網(wǎng)智能家電，實(shí)現(xiàn)全屋自動化、智能化，不僅給用戶帶來便利，同時(shí)也優(yōu)化了生活環(huán)境。

（1）無線控制開關(guān)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離操控，使家電使用更加便捷。在住宅區(qū)內(nèi)用戶可通過藍(lán)牙連接模式實(shí)現(xiàn)多設(shè)備控制；在戶外可通過Wi-Fi模塊遠(yuǎn)程傳輸指令，不受空間約束。這種控制方式提供了更多便利，同時(shí)避免物理連接的煩瑣和安全隱患，大大提升了人們的生活品質(zhì)。

（2）無線控制開關(guān)技術(shù)配合傳感器實(shí)現(xiàn)智能控制，成本更低，更加環(huán)保節(jié)能[5]?？刂崎_關(guān)搭配溫濕度傳感器，可實(shí)現(xiàn)空調(diào)設(shè)備的自動調(diào)溫；搭配光照傳感器，可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)光源亮度調(diào)節(jié)；搭配運(yùn)動傳感器和攝像頭，可實(shí)現(xiàn)人體探測從而進(jìn)行通斷電操作。智能化家居可以更好地節(jié)省家庭開支，提升電器使用壽命，符合綠色環(huán)保的理念。

（3）無線控制開關(guān)具備高兼容性和可擴(kuò)展性，因此應(yīng)用場景比傳統(tǒng)家居設(shè)備更加廣泛。結(jié)合新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)平臺，控制開關(guān)可以兼容絕大多數(shù)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，不僅發(fā)揮其控制功能，更可以擴(kuò)展為家庭終端，對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測并執(zhí)行動作，使家居環(huán)境更安全可靠，居住條件更舒適。

5 結(jié) 論

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，智能化家居也擁有了更廣泛的應(yīng)用空間。對智能家電的控制，是實(shí)現(xiàn)全屋生態(tài)統(tǒng)一的關(guān)鍵研究方向。采取無線控制開關(guān)技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)有線技術(shù)，并且接入互聯(lián)網(wǎng)平臺，可以更好地實(shí)現(xiàn)智能家電的控制，為未來普及智能家居技術(shù)、提升物聯(lián)網(wǎng)智能家電的自動化和智能化水平具有長遠(yuǎn)意義。