CN104125125A - 一种智能家居系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能家居系统和控制方法，主要由网关服务器、客户端、调制解调器、无线路由器、无线协调器、以及至少一个无线节点组成；其中无线路由器经调制解调器的与互联网相连；客户端连接无线路由器，无线路由器通过网线和/或移动互联网连接网关服务器；网关服务器通过串口连接无线协调器；无线协调器通过无线与所有无线节点相连。本发明具有系统安装维护方便，成本低廉；家居控制节点的动态管理；客户端操作方便；系统安全性高；稳定高效和节能环保等特点。

Description

一种智能家居系统和控制方法

技术领域

本发明涉及智能家居技术领域，具体涉及一种智能家居系统和控制方法。

背景技术

随着人们生活水平的提高以及计算机网络通信技术的发展，智能家居逐渐成为未来家居生活的标杆。智能家居是以为用户提供安全、便利和舒适的生活环境为目的，用户通过互联网远程监控家居环境、实时安防及家用电器的远程控制的系统。目前智能家居系统实现方案存在以下不足：

授权公告号为CN102281370的中国发明专利公开了一种“智能家居系统及其工作方法”，其使用手机短信、彩信报警方式或有线电话语音拨号交互控制方式。该方式的运行成本高，操作繁琐，短信收发延迟较大，且文字方式操作困难，用户体验度低。另外系统的整体智能化程度低，无法满足个性化或智能化监控。

授权发明专利为CN102355390的中国发明专利公开了“一种智能家居系统”，其使用PC机作为系统中心控制部件，不仅系统成本、功耗高；且系统整体结构复杂，系统的安装配置过程复杂。另外基于WEB服务的控制方案灵活性差，用户不能根据自身家居情况设置控制内容和方式，系统的通用性、可扩展性低。

还有一些发明方案采用有线通信介质实现家居控制。该方式存在布线麻烦、安装维护成本高、方案不灵活，系统铺设完成则无法修改，不适合智能家居系统的扩容和改造等缺陷。

发明内容

本发明所要解决的是目前智能家居监控内容单一、用户操作不便、用户体验度低、铺设维护困难以及推广难度大等问题，提供一种智能家居系统和控制方法。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种智能家居系统，主要由网关服务器、客户端、调制解调器、无线路由器、无线协调器、以及至少一个无线节点组成；其中无线路由器经调制解调器的与互联网相连；客户端连接无线路由器，无线路由器通过网线和/或移动互联网连接网关服务器；网关服务器通过串口连接无线协调器；无线协调器通过无线与所有无线节点相连。

上述方案中，所述无线节点包括数据采集节点、开关控制节点和红外遥控器节点。

上述方案中，所述网关服务器上还接有至少一个摄像头。

上述方案中，所述无线协调器为ZigBee协调器，无线节点为ZigBee节点。

上述系统所实现的一种智能家居系统控制方法，包括步骤如下

网关服务器：在配置节点阶段：首先，用户逐个输入所需增加的无线节点的节点通信密码，并将无线节点配置为数据采集节点、开关控制节点和红外遥控器节点这三种类型之一；网关服务器记录所有数据采集节点信息、开关控制节点信息、以及家电遥控器信号和遥控器节点的信息，以完成无线节点的配置；然后，用户将登陆账号和密码注册到网关服务器；在正常使用阶段：首先，网关服务器新建线程并建立网络连接，并对客户端发送来的登陆账号和密码进行验证；然后，将所有无线节点信息实时状态发送到客户端上，并接收客户端的命令；最后，判断用户是否开启了智能模式，若开启，则网关服务器按照智能模式类型设置各无线节点的状态；若未开启，则将数据采集节点所采集的状态回送至客户端，查询红外遥控命令编码并发送编码至红外遥控节点，以及发送命令至开关控制节点；

客户端：接收用户输入的账号和密码，并将该账号和密码送入网关服务器进行验证，若验证通过，则接收无线节点信息并将控制界面初始化后进行显示，若验证未通过，则该客户端被网关服务器锁定；

无线协调器：首先，初始化与网关服务器相连的串口和与无线节点相连的天线；接着，接收和记录节点通信密码，并监听串口及无线节点数据；若处于串口命令解析阶段，则根据网关服务器命令回送实时数据，或者发出控制命令到无线节点，对命令加密后发送至对应的无线节点上；若处于解密无线数据阶段，则判断解密无线数据是否正确，若解密正确，则记录无线采集节点的状态，若解密不正确，则丢弃无线数据；

无线节点：首先，初始化与无线协调器相连的无线天线；接着，保存无线协调器发送的节点通信密码，并记录本节点的编号、类型和功能；然后，接收无线协调器的无线数据并判断节点编号是否匹配，若不匹配，则向其他无线节点转发，若匹配，则使用通信密码解密无线数据并判断数据包内通信密码与节点内通信密码是否匹配；若不匹配，则丢弃无线数据，若匹配，则解析无线数据内的命令信息，根据命令作不同操作。即采集数据采集节点数据并加密回送无线协调器，或控制开关控制节点，或发射红外线遥控信号。

上述方案中，所述无线协调器为ZigBee协调器，无线节点为ZigBee节点。

上述方案中，所述客户端还包括语音识别控制和语音播报过程；即当用户使用语音识别控制时，客户端将记录的音频信息发送至语音识别云服务器，识别后将结果文本返回；此后，客户端根据结果作进一步控制操作，并将操作结果发送回语音识别云服务器进行语音合成，最后将接收到的语音播报给用户。

上述方案中，还进一步包括如下步骤：即用户通过客户端上的智能模式按钮设置系统智能工作模式，其中智能模式包括外出模式、屋内活动模式和睡眠模式，网关服务器根据不同的模式，智能地和统一地管理家居。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

(一)系统安装维护方便，成本低廉：本系统使用ZigBee无线网络监控家居情况。通过网关服务器配置节点数量及功能；无线控制节点安装方便，用户可以根据需要灵活设计家居控制方案；随着宽带用户及安卓智能手机的普及，同时3G/4G网络的推广使用，使本监控方案推广使用更加容易且铺设成本低廉。

(二)家居控制节点的动态管理。用户通过客户端软件可以动态管理家居内的控制节点数量、功能、参数及名称等。最大限度的满足不同实际情况用户的需求，使本系统具有很高的适应性和可扩展性。

(三)客户端操作方便：系统客户端使用JAVA语言编写，运行于安卓移动终端，具有较好兼容性。客户端软件安装方便，操作界面简单易用；利用语音识别功能，用户可通过语音实施控制，方便老人及残障人士的使用。

(四)系统安全性高：ZigBee网络的通信数据采用分组对称加密算法加密，确保数据安全同时有效管理ZigBee网络内的节点，避免节点冲突。系统使用前必须在网关服务器端注册账号及密码，用户使用已注册账号及密码才能正确登录系统实施控制，确保了网关服务器的绝对安全。

(五)稳定高效、节能环保：由于无线节点的低成本以及低功耗低辐射等特性，使得系统价格低廉且节能环保。网关服务器硬件采用ARM处理器平台，系统稳定性高且低耗；网关软件平台基于LINUX操作系统，保证了系统的安全、稳定及高效。

(六)智能模式：用户可通过客户端一键设置系统的智能模式，方便用户操作。系统可根据用户要求智能地管理温度、亮度等家居环境，以及保证家居、家电安全。

(七)全面监控家居状态：系统利用多种传感器、红外遥控器及摄像头对家居环境、家电进行全面监控。

附图说明

图1为本发明的智能家居系统整体组成图。

图2为本发明的用户整体操作流程图。

图3为本发明的网关服务器无线节点初始化阶段软件运行流程图。

图4为本发明的网关服务器正常使用阶段软件运行流程图。

图5为本发明的客户端软件运行流程图。

图6为本发明的无线协调器软件运行流程图。

图7为本发明的无线节点软件运行流程图。

图8为本发明的无线节点信息表文件格式图。

图9为本发明的ZigBee数据包格式图。

图10为本发明的网关服务器硬件框图。

图11为本发明的无线协调器硬件框图。

图12为本发明的无线节点硬件框图。

具体实施方式

本发明提出的一种智能家居系统，如图1所示，主要由网关服务器、客户端、调制解调器、无线路由器、无线协调器、至少一个摄像头、以及至少一个无线节点组成。其中无线路由器经调制解调器与互联网相连；客户端连接无线路由器，无线路由器通过网线连接网关服务器；另外，客户端也可利用3G/4G移动互联网连接网关服务器；网关服务器通过串口连接无线协调器；无线协调器通过无线与所有无线节点相连。其中所述无线节点包括数据采集节点、开关控制节点和红外遥控器节点。摄像头直接连接在网关服务器上。在本发明中，所述无线协调器为ZigBee协调器，无线节点为ZigBee节点。具体方案如下：

1、网关服务器

网关服务器为系统核心。负责连接本系统各个模块：无线路由器、摄像头、无线协调器。网关服务器为客户端提供家居数据查询、实时图像传送或保存、突发事件报警、发送家居控制命令等功能。在网关服务器上安装了带触摸的液晶屏，提供客户端登录的账号注册及管理功能。只有使用已注册的账户和密码才能通过客户端登录网关服务器，保证系统的绝对安全。

在初次使用本系统前，必须使用网关服务器对无线节点进行配置管理。配置管理内容包括：设置无线节点通信密码以及记录无线节点编号、类型及功能信息。通信密码保证无线协调器与控制无线节点的后续通信。无通信密码或解密密码错误的无线节点将被协调器排除在ZigBee网络外，以此保证了系统内无线节点的有效性。在使用过程中，用户可以通过网关服务器的节点配置管理功能，根据需要添加或删除无线节点。

另外，网关服务器还配备了红外接收器，用于读入家电遥控信号。在ZigBee红外遥控器节点配置时，将特定家电遥控信号与之绑定，把红外遥控器节点正确布置于各屋，从而实现全屋电器的客户端远程遥控。

2、ADSL调制解调器及无线路由器

ADSL调制解调器为ISP网络运营商提供，实现网关服务器互联网接入。无线路由器负责连接网关服务器与ADSL调制解调器，另外在本地(屋内)提供wifi信号。用户也可在本地使用智能手机客户端实施控制。

3、无线协调器

无线协调器节点是ZigBee网络的汇聚节点，负责组建、管理无线传感器网络。协调器负责与网关服务器通信，转发客户端控制命令并回传来自各控制节点的状态数据。

4、无线节点及摄像头

ZigBee控制节点负责具体实现家居控制，按其功能划分为三类：数据采集节点、红外遥控器节点、开关控制节点。数据采集节点连接各种传感器，负责采集实时数据及报警；红外遥控器节点负责发送屋内电器遥控信号，实现客户端对电器的远程遥控；开关控制节点负责连接继电器、电机等部件，实现客户端对屋内灯、窗帘、排气扇等控制。

为了保证无线数据安全性并且避免本系统节点与其他用户家中节点的冲突。本方案的协调器和控制节点均使用对称分组加密算法对通信数据进行加密。每个控制节点在使用前必须通过网关服务器进行配置管理，设置统一的通信密码，保证节点有效接入ZigBee网络。在无线通信中，无线节点使用相同的秘钥对数据进行分组移位加密或解密。所有节点将自动丢弃解密错误的数据包，以保证无线通信安全。

数据采集节点主要为传感器，包括温度、湿度、照度、雨滴、红外热释电、一氧化碳浓度、烟雾等等。传感器直接与无线节点连接，提供家居实时数据。

红外遥控器与红外遥控器线节点连接，负责发射来自客户端的家电控制红外指令，从而达到远程控制家电的目的。

开关控制节点包括继电器开关、窗帘电机等。开关部件直接与无线节点连接，用户可通过客户端对各个开关进行控制。

本方案中可连接多路摄像头。摄像头负责采集屋内情况。工作方式分为普通查看和报警记录两种。普通查看为用户提供实时家居情况，此模式下视频图像不作记录；报警记录模式则是在外界触发报警传感器后，由系统自动记录视频图像，供事后分析处理。

5、客户端

本方案中的客户端可为安卓智能手机或平板电脑。客户端软件实现用户登录、家居数据查询、语音控制、视频监控、智能化管理等功能。用户在本地(屋内)可以使用wifi网络实现无线监控，在异地可通过3G/4G移动互联网络实现远程监控。出于安全性考虑，客户端软件必须使用在网关服务器端已注册的账户和密码登陆后才能使用系统。

另外，用户可根据自身家居情况，灵活修改客户端的控制内容。如增减屋内的报警节点数量；根据窗帘实际尺寸，修改窗帘控制节点参数；修改灯控制节点的数量以及名称等。以此最大化地满足用户对本系统的不同需求。

最后，客户端软件具备语音识别功能，实现语音控制及数据播报功能。当用户使用语音控制时，客户端软件将记录的音频信息发送至语音识别云服务器，识别后将结果文本返回。客户端软件根据结果作进一步控制操作，并将操作结果发送回语音识别云服务器进行语音合成，最后将接收到的语音播放给用户。客户端软件还具有智能化管理功能，允许用户一键设置系统的智能工作模式。智能模式分为：外出模式、屋内活动模式、睡眠等模式。系统将根据不同的模式，智能地、统一地管理家居。

上述系统所实现的一种智能家居系统控制方法，包括步骤如下：

用户整体操作流程：首先，将系统各部分硬件正确安装并连接，包括网关服务器、调制解调器、无线路由器和无线协调器等；然后利用网关服务器界面注册登录账号及密码，同时配置所有无线节点通信密码并记录节点相关信息；接着，用户将无线节点正确安装于屋内；最后使用客户端登录网关服务器并实施相应家居控制操作。参见图2。

网关服务器：在配置节点阶段：首先，用户逐个输入所需增加的无线节点的节点通信密码，并将无线节点配置为数据采集节点、开关控制节点和红外遥控器节点这三种类型之一；网关服务器记录所有数据采集节点信息、开关控制节点信息、以及家电遥控器信号和遥控器节点的信息，以完成无线节点的配置；然后，用户将登陆账号和密码注册到网关服务器。参见图3。其硬件框图参见图10。在正常使用阶段：首先，网关服务器新建线程并建立网络连接，并对客户端发送来的登陆账号和密码进行验证；然后，将所有无线节点信息实时状态发送到客户端上，并接收客户端的命令；最后，判断用户是否开启了智能模式，若开启，则网关服务器按照智能模式类型设置各无线节点的状态；若未开启，则将数据采集节点所采集的状态回送至客户端，查询红外遥控命令编码并发送编码至红外遥控节点，以及发送命令至开关控制节点。参见图4。

客户端：接收用户输入的账号和密码，并将该账号和密码送入网关服务器进行验证，若验证通过，则接收无线节点信息并将控制界面初始化后进行显示，若验证未通过，则该客户端被网关服务器锁定。用户通过客户端上的智能模式按钮设置系统的智能工作模式，如外出模式、屋内活动模式、睡眠等模式。系统将根据不同的模式，智能地、统一地管理家居。此外，客户端还包括语音识别控制和语音播报过程；即当用户使用语音识别控制时，客户端将记录的音频信息发送至语音识别云服务器，识别后将结果文本返回；此后，客户端根据结果作进一步控制操作，并将操作结果发送回语音识别云服务器进行语音合成，最后将接收到的语音播报给用户。参见图5。

无线协调器：首先，初始化与网关服务器相连的串口和与无线节点相连的天线；接着，接收和记录节点通信密码，并监听串口及无线节点数据；若处于串口命令解析阶段，则根据网关服务器命令回送，或者发出控制命令到无线节点，对命令加密后发送至对应的无线节点上；若处于解密无线数据阶段，则判断解密无线数据是否正确，若解密正确，则记录无线采集节点的状态，若解密不正确，则丢弃无线数据。所述无线协调器为ZigBee协调器。参见图6。其硬件框图参加图11。

无线节点：首先，初始化与无线协调器相连的无线天线；接着，保存无线协调器发送的节点通信密码，并记录本节点的编号、类型和功能；然后，接收无线协调器的无线数据并判断节点编号是否匹配，若不匹配，则向其他无线节点转发，若匹配，则使用通信密码解密无线数据并判断数据包内通信密码与节点内通信密码是否匹配；若不匹配，则丢弃无线数据，若匹配，则解析无线数据内的命令信息，根据命令作不同操作。即采集数据采集节点数据并加密回送无线协调器，或控制开关控制节点，或发射红外线遥控信号。所述无线节点为ZigBee节点，参见图7。其中图8为无线节点的信息表。图9为无线数据包。其硬件框图参见图12。

Claims (8)

1.一种智能家居系统，其特征在于：主要由网关服务器、客户端、调制解调器、无线路由器、无线协调器、以及至少一个无线节点组成；其中无线路由器经调制解调器的与互联网相连；客户端连接无线路由器，无线路由器通过网线和/或移动互联网连接网关服务器；网关服务器通过串口连接无线协调器；无线协调器通过无线与所有无线节点相连。

2.根据权利要求1所述的一种智能家居系统，其特征在于：所述无线节点包括数据采集节点、开关控制节点和红外遥控器节点。

3.根据权利要求1所述的一种智能家居系统，其特征在于：所述网关服务器上还接有至少一个摄像头。

4.根据权利要求1所述的一种智能家居系统，其特征在于：所述无线协调器为ZigBee协调器，无线节点为ZigBee节点。

5.一种智能家居系统控制方法，其特征是，包括步骤如下：

网关服务器：在配置节点阶段：首先，用户逐个输入所需增加的无线节点的节点通信密码，并将无线节点配置为数据采集节点、开关控制节点和红外遥控器节点这三种类型之一；网关服务器记录所有数据采集节点信息、开关控制节点信息、以及家电遥控器信号和遥控器节点的信息，以完成无线节点的配置；然后，用户将登陆账号和密码注册到网关服务器；在正常使用阶段：首先，网关服务器新建线程并建立网络连接，并对客户端发送来的登陆账号和密码进行验证；然后，将所有无线节点信息实时状态发送到客户端上，并接收客户端的命令；最后，判断用户是否开启了智能模式，若开启，则网关服务器按照智能模式类型设置各无线节点的状态；若未开启，则将数据采集节点所采集的状态回送至客户端，查询红外遥控命令编码并发送编码至红外遥控节点，以及发送命令至开关控制节点；

客户端：接收用户输入的账号和密码，并将该账号和密码送入网关服务器进行验证，若验证通过，则接收无线节点信息并将控制界面初始化后进行显示，若验证未通过，则该客户端被网关服务器锁定；

无线协调器：首先，初始化与网关服务器相连的串口和与无线节点相连的天线；接着，接收和记录节点通信密码，并监听串口及无线节点数据；若处于串口命令解析阶段，则根据网关服务器命命令回送实时数据，或者发出控制命令到无线节点，对命令加密后发送至对应的无线节点上；若处于解密无线数据阶段，则判断解密无线数据是否正确，若解密正确，则记录无线采集节点的状态，若解密不正确，则丢弃无线数据；

无线节点：首先，初始化与无线协调器相连的无线天线；接着，保存无线协调器发送的节点通信密码，并记录本节点的编号、类型和功能；然后，接收无线协调器的无线数据并判断节点编号是否匹配，若不匹配，则向其他无线节点转发，若匹配，则使用通信密码解密无线数据并判断数据包内通信密码与节点内通信密码是否匹配；若不匹配，则丢弃无线数据，若匹配，则解析无线数据内的命令信息，根据命令作不同操作。即采集数据采集节点数据并加密回无线协调器，或控制开关控制节点，或发射红外线遥控信号。

6.根据权利要求5所述的一种智能家居系统控制方法，其特征在于：所述无线协调器为ZigBee协调器，无线节点为ZigBee节点。

7.根据权利要求5所述的一种智能家居系统控制方法，其特征是，所述客户端还包括语音识别控制和语音播报过程；即当用户使用语音识别控制时，客户端将记录的音频信息发送至语音识别云服务器，识别后将结果文本返回；此后，客户端根据结果作进一步控制操作，并将操作结果发送回语音识别云服务器进行语音合成，最后将接收到的语音播报给用户。

8.根据权利要求5所述的一种智能家居系统控制方法，其特征是，还进一步包括如下步骤：即用户通过客户端上的智能模式按钮设置系统智能工作模式，其中智能模式包括外出模式、屋内活动模式和睡眠模式，网关服务器根据不同的模式，智能地和统一地管理家居。