CN108828967A - 一种基于ros的智能家居管理与控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于ROS的智能家居管理方法与控制系统，包括智能家居子系统和Web终端，所述的智能家居子系统与Web终端通过服务器连接，所述的智能家居子系统包括主控制器和分布式子功能节点，所述的分布式子功能节点通过无线局域网与其他节点或主系统实现互联。与现有技术相比，本发明提供了一种ROS分布式系统架构在智能家居领域的应用，为智能家居功能可伸缩、系统松耦合与统一管理提供了极大的便利，实现了较于其他传统的智能家居管理系统的成本更低、灵活性更高、通信更快捷、可靠性更好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及智能家居管理技术领域，尤其是涉及一种基于ROS的智能家居管理与控制系统。
背景技术
经过多年发展，智能家居系统下的终端设备越来越多，其管理难度也越来越高。中央管理单元对终端设备的控制随着设备数量的增加与设备种类的多样化也越来越复杂，由于通信机制的多样性，各设备之间的互通互联对智能家居系统也提出了新的考验。
目前，当新的设备接入智能家居系统中，不仅需要对新设备做适配性开发，也需要在本地主系统与远程终端的软件层进行修改，实现对新设备的管理，若新设备与其他设备需要建立通信，也将不得不对其他设备做出软件层的修改。因此，现有的系统在扩展升级方面有着很高的开发成本，而智能家居的设备扩展与系统升级周期很短，智能家居软件层代码的复用性与模块化的需求越来越强烈。
目前，ROS(Robot Operating System，机器人操作系统)作为一种开源的分布式架构的次级操作系统以其代码复用性、易用性、分布式部署、跨平台、功能强大、开发效率高等诸多优势在机器人研究领域掀起了学习和使用的热潮，其解决了在智能机器人各项能力趋于完善的同时为其编写软件越来越繁重复杂的问题。
在基于ROS的开发中，ROS能够根据其节点特性整合不同应用，各个功能应用节点可以独立设计，多个节点可以随时、轻便地组合起来，消息的订阅与发布为建立节点间便利的通信机制奠定了基础，很容易实现节点与主系统、节点间的互通互联，可满足各种复杂机器人的开发需求。
目前ROS系统并未在智能家居领域得到具体应用，但ROS的诸多优势可以给智能家居的管理与控制带来极大便利。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于ROS的智能家居管理与控制系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
从工程开发的角度分析，智能家居也属于一种机器人系统，智能家居的每个传感器模块或者智能设备可抽象为ROS的一个节点，智能家居系统每增加一个智能设备相对于ROS只增加了一个节点，节点管理器与其他节点只需相应地做出微小改动即可实现设备的扩展，当设备本身改变时，仅需修改其所在节点的相关代码即可。
基于上述内容，本发明涉及一种基于ROS的智能家居管理与控制系统，包括智能家居子系统与Web终端，智能家居子系统与Web终端通过服务器连接，智能家居子系统包括主控制器和分布式子功能节点，所述的分布式子功能节点包括传感器与执行器的集成模块及智能设备，所述的分布式子功能节点通过兼容WiFi与ZigBee两种标准的无线局域网与其他节点或主系统实现互通互联。
所述的主控制器是基于ROS的控制系统，通过建立节点管理器实现对所有节点的管理与同服务器端桥接实现信息交互。
所述的分布式子功能节点包括传感器与执行器的集成模块及智能设备，共同构成分布式智能家居网络。所述的传感器与执行器的集成模块主要有环境监测单元、智能语音报警单元、智能插座、安防单元、设备管理单元，环境监测单元、安防单元、智能插座分别与智能语音报警单元连接。
所述的智能语音单元主要提醒用户某些需要注意的信息，语音单元可同用户进行交流并识别语音命令实现信息播报、音乐播放、控制显示屏播放视频等功能；所述的环境监测单元设有多种传感器，用于实现对室内外的温湿度、PM2.5、烟雾浓度等环境参数的测量；所述的智能插座获取用电设备的电气信息，当输入电流过高，设备自动断电并提醒用户此设备因过电流已断开；所述的安防单元通过家庭视觉检测异常移动物体、智能门窗检测门窗是否异常打开与感知烟雾、甲烷与丙烷浓度判断安防状态，并将异常信息进行音语音报警和传到服务器供用户远程查看，当有紧急情况会直接拨打用户电话；所述的设备管控单元分布在家庭各个可供控制的设备与装置上，接收外部命令进行相应操作，包括晚间自动拉上窗帘，下雨时关闭窗户，根据峰谷电价与家庭太阳能发电和储能情况控制用电设备的使用，实现节能与节约成本等。
所述的环境监测单元采用DHT11温湿度传感器、GP2Y1014AU0F灰尘传感器、MQ-2烟雾传感器和GY-30光照传感器。各个传感器在节点端将采集的环境参数数据同参考数据作对比，结合智能设备，通过无线网通信实现对温湿度的调节，并通过Web终端随时在线查看。
所述的Web终端具有“三遥”功能：遥信、遥测、遥控；所述的遥信即远程通信可实现随地登录Web终端与智能家居子系统建立通信，并在此基础上实现对智能家居的遥测与遥控；所述的遥测即远程监测可实现在线查看家庭的环境信息、安全信息、用电信息与设备信息，当有紧急信息时会有短信通知；所述的遥控即远程控制可实现对具体设备的控制，可根据实际需要，如在回家之前通过在线远程遥控提前开启空调或打开热水器等。
通过Web终端对分布式子功能节点的控制步骤包括以下步骤：
第一步，登录Web终端，通过服务器访问智能家居子系统；
第二步，Web终端在线查看信息并发布控制命令，并将控制命令上传至服务器；
第三步，主控制器通过服务器获取Web终端的控制命令；
第四步，主控制器将Web终端的控制命令通过无线局域网传送到相关节点；
第五步，相关节点收到命令后执行相关功能，执行后将执行结果通过以上通道反馈回WEB终端。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明基于ROS的分布式架构与高代码复用率，可方便的实现对智能设备、智能装置的扩展与更新，能够有效地满足智能家居软件层代码的复用性与模块化；
(2)本发明在信息互通共享、低开发更新成本、代码高复用率、伸缩性强、操作简单等方面优于其他架构，为智能家居的系统级开发、维护与统一管理提供了极大的便利。
附图说明
图1为本发明的框架示意图；
图2为本发明的分布式子功能节点群通信结构图；
图3为本发明实施例中智能家居通过Web终端实现对分布式子功能节点控制的流程图；
图4为本发明对智能家居控制功能的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
如图1至图3所示，本发明涉及一种基于ROS的智能家居管理与控制系统，包括智能家居子系统与Web终端，智能家居子系统与Web终端通过服务器连接。
智能家居子系统包括主控制器和分布式子功能节点。分布式子功能节点通过兼容WiFi与具有低功耗特性的ZigBee两种标准的无线局域网与其他节点或主系统实现互通互联。主控制器为基于ROS的控制系统，通过建立节点管理器实现对所有节点的管理与同服务器端桥接实现信息交互，ROS通过装有Ubuntu的miniPC平台进行面向智能家居的软件层代码编写。
如图2所示，分布式子功能节点可以是使用了诸多基于传感器与执行器的集成模块与智能设备，共同构成分布式智能家居节点网络。基于传感器与执行器的集成模块主要有环境监测单元、智能语音报警单元、智能插座、安防单元、设备管理单元。
智能语音单元主要提醒用户某些需要注意的信息，智能语音报警单元可同用户进行交流并识别语音命令实现信息播报、音乐播放、控制显示屏播放视频以及警报功能；环境监测单元装有多种传感器，实现对室内外的温湿度、PM2.5、烟雾浓度等环境参数的测量；智能插座获取用电设备的电气信息，当输入电流过高，设备会自动断电并提醒用户此设备因过电流已断开；安防单元通过家庭视觉检测异常移动物体、智能门窗检测门窗是否异常打开与感知烟雾、甲烷与丙烷浓度判断安防状态，并将异常信息进行音语音报警和传到服务器供用户远程查看，当有紧急情况会直接拨打用户电话；设备管理单元分布在家庭各个可供控制的设备与装置上，并接收外部命令进行相应操作，到晚上时会自动拉上窗帘，下雨时关闭窗户，可根据峰谷电价与家庭太阳能发电和储能情况控制用电设备的使用，实现节能与节约成本等。
如图2所示，环境监测单元在实现环境监测功能上使用了DHT11温湿度传感器、GP2Y1014AU0F灰尘传感器、MQ-2烟雾传感器、GY-30光照传感器。采集的温湿度数据在节点端进行计算，然后同加湿器与空调等智能设备通过无线网通信实现对温湿度的调节，当室内外温差较大，则在出门时通过语音模块提醒防寒或防暑；室内灰尘浓度较高时开启空气净化器，室外较高时提醒用户出行戴口罩并减少户外活动；所述环境监测的信息可通过Web终端随地在线查看。
此外，为解决无线设备的功耗问题，在WiFi的基础上加入了ZigBee通信，其低功耗特性大大提高了无线设备的长时间使用问题。基于ROS的代码复用性，默认新建立的节点兼容两种通信标准且开辟好信息通道，大大提高了新设备接入时的效率。
部署在Web终端的在线控制系统具有“三遥”功能，分别为遥信、遥测、遥控；所述遥信即远程通信可实现随地登录Web终端与智能家居子系统建立通信，并在此基础上实现对智能家居的遥测与遥控；所述遥测即远程监测可实现在线查看家庭的环境信息、安全信息、用电信息与设备信息，当有紧急信息时会有短信通知；所述遥控即远程控制可实现对具体设备的控制，可根据实际需要，在回家之前通过在线远程遥控提前开启空调或打开热水器等。
如图3为根据本发明系统的智能家居通过Web终端实现对分布式子功能节点控制的流程图，当用户夏天下班回家时，想要提前开启空调，通过终端实现智能调温的控制步骤如下：
第一步，温度检测节点将采集到的温度数据传到主控制器，主控制器与服务器通过桥接实现数据的二次传送；
第二部，Web终端更新温度数据；
第三步，用户远程登录Web终端的在线管理系统，查看到家里室温为33度，用户在线调到27℃，Web终端将预设温度上传到服务器；
第四步，主控制器读取到服务器上用户设置的温度，比较得知预设高于实际；
第五步，主控制器唤醒智能空调，并将预设温度传送给智能空调；
第六步，智能空调开始进行调温并订阅温度检测节点发布的实际室温；
第七步，智能空调订阅的温度检测节点检测到发布的实际室温与预设相匹配时，开启温度保持模式。
以上步骤在执行的同时，传感器采集的数据间隔性地传送到服务器端与空调节点；用户可以在线看到家庭温度的变化，基于温度变化的过程性，在线显示的温度信息不具有实时性，会有3-5分钟的延迟；空调基于预设温度并根据其订阅传感器发布的温度数据通过模糊控制调节制冷强度，具有高效、节能的特点。
如图4所示，本发明对智能家居的控制功能模块包括无线传感、语音交互、视频安防、网页监控和家电控制等。不同的功能模块分别进行分布式开发，最后在ROS操作系统上协同运行。
此外，在ROS的分布式架构中，每个工作装置或者设备都可以看做系统的一个进程，在ROS中都被抽象为节点并使用节点管理器统一管理，并提供了一套基于消息机制的通信平台。这种架构可以分散家庭视觉、家庭语音等具有计算体量与计算难度的进程给主控制器带来的计算压力，能够在面对多设备甚至多家庭智能家居子系统。任何连网的装置或者设备都可以运行节点程序，这些物理节点可以是小型的ARM/DSP嵌入式系统，或者是家庭PC，甚至是智能手机和平板电脑，这些异构计算平台均可为智能家居子系统的一部分。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种基于ROS的智能家居管理与控制系统，其特征在于，该系统包括智能家居子系统和Web终端，所述的智能家居子系统与Web终端通过服务器连接，所述的智能家居子系统包括主控制器和分布式子功能节点，所述的分布式子功能节点通过无线局域网与其他节点或主系统实现互联，所述的主控制器为基于ROS的控制系统，主控制器通过建立节点管理器实现对所有节点的管理及同服务器的信息交互。
2.根据权利要求1所述的一种基于ROS的智能家居管理与控制系统，其特征在于，所述的分布式子功能节点包括传感器与执行器的集成模块及智能设备。
3.根据权利要求1所述的一种基于ROS的智能家居管理与控制系统，其特征在于，所述的无线局域网为兼容WiFi与ZigBee两种标准的无线局域网。
4.根据权利要求2所述的一种基于ROS的智能家居管理与控制系统，其特征在于，所述的传感器与执行器的集成模块包括设备管理单元及与设备管理单元分别连接的环境监测单元、智能语音报警单元、安防单元和智能插座，所述的环境监测单元、安防单元、智能插座分别与智能语音报警单元连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于ROS的智能家居管理与控制系统，其特征在于，所述的环境监测单元包括用于实现对室内外环境参数测量的DHT11温湿度传感器、GP2Y1014AU0F灰尘传感器、MQ-2烟雾传感器及GY-30光照传感器，各个传感器在节点端将采集的环境参数数据同参考数据作对比，结合智能设备，通过无线网通信实现对温湿度的调节，并通过Web终端随时在线查看。
6.根据权利要求2所述的一种基于ROS的智能家居管理与控制系统，其特征在于，所述的智能设备包括加湿器、空调和智能插座。
7.根据权利要求1所述的一种基于ROS的智能家居管理与控制系统，其特征在于，所述的Web终端允许在任何具有网页浏览器功能的设备上登录，所述的WEB终端通过2/3/4G、WiFi或宽带与服务器连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于ROS的智能家居管理与控制系统，其特征在于，所述的Web终端为具有三遥功能的Web终端。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种基于ROS的智能家居管理与控制系统，其特征在于，通过Web终端对分布式子功能节点的控制步骤包括：
1)登录Web终端，通过服务器访问智能家居子系统；
2)Web终端在线查看信息并发布控制命令，并将控制命令上传至服务器；
3)主控制器通过服务器获取Web终端的控制命令；
4)主控制器将Web终端的控制命令通过无线局域网传送到相关节点；
5)相关节点收到命令后执行相关功能，执行后将执行结果通过以上通道反馈回WEB终端。
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