CN202720505U - 一种智能家居控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种智能家居控制系统，包括控制器、主机以及设有单片机的终端，所述控制器与主机相连并实现双向通信；所述主机与终端之间通过Zigbee无线传输网络实现双向通信；所述Zigbee无线传输网络包括Zigbee协调器、Zigbee中继节点以及Zigbee终端节点，所述Zigbee协调器和主机连接，通过串口进行信息交互；所述Zigbee终端节点与所述终端的单片机相连；当Zigbee协调器与Zigbee终端节点之间的距离大于30m时，每隔30m增加1个Zigbee中继节点。本实用新型的智能家居控制系统具有全系统无线部署、无需另外开槽布线及设计、部署成本低、稳定性高以及能耗低等的特点。

Description

一种智能家居控制系统

技术领域

本实用新型涉及智能家居控制技术，更具体地说，是涉及一种智能家居控制系统。

背景技术

目前，主流智能家居系统均面向独栋别墅等大面积复杂控制，系统需在装潢设计时预部署，其功能复杂、功耗偏大、不符合国内大众消费水平及生活方式，售价高达20万～50万。国内无线智能家居产品多以模拟信号为传输协议，存在可靠性差、单向通讯、信道拥挤以及抗干扰差等缺陷。

实用新型内容

针对现有技术中存在的智能家居系统可靠性差，单向通讯、信道拥挤以及抗干扰差等的问题，本实用新型的目的是提供一种智能家居控制系统。

为达到上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：

一种智能家居控制系统，包括控制器、主机以及设有单片机的终端，所述控制器与主机相连并实现双向通信；所述主机与终端之间通过Zigbee无线传输网络实现双向通信；所述Zigbee无线传输网络包括Zigbee协调器、Zigbee中继节点以及Zigbee终端节点，所述Zigbee协调器和主机连接，通过串口进行信息交互；所述Zigbee终端节点与所述终端的单片机相连；

当Zigbee协调器与Zigbee终端节点之间的距离大于30m时，每隔30m增加1个Zigbee中继节点。

所述终端包括继电器终端、固态继电器终端、红外线控制模拟终端以及传感器终端。

所述继电器终端还包括电源模块、电能计量芯片以及继电器，所述电源模块的输入端与市电相连，电源模块的输出端分别与电能计量芯片、单片机以及继电器相连；所述单片机分别与电能计量芯片以及继电器相连，所述电能计量芯片还与市电的电源线相连；所述继电器串接在市电的电源线上。

所述固态继电器终端还包括电源模块以及固态继电器，所述电源模块的输入端与市电相连，电源模块的输出端与单片机相连；所述单片机还与固态继电器相连；所述固态继电器与照明灯相连。

所述控制器为移动手机以及移动电脑，所述移动手机以及移动电脑通过无线数据网络与主机相连。

所述控制器为台式电脑，所述台式电脑通过有线数据网络与主机相连。

所述控制器为NFC感应控制器以及RFID感应控制器，所述NFC感应控制器以及RFID感应控制器与所述Zigbee终端节点相连。

本实用新型的一种智能家居控制系统具有以下技术效果：

（1）部署成本低，全系统无线部署，无需另外开槽布线及设计；

（2）稳定性高，系统硬件架构源自工控产品，采用符合国际标准的Zigbee通讯协议；

（3）价格低，全套系统仅为国际同类产品的十分之一；

（4）智能节能，整套系统能为家庭用户节约约30%的电量；

（5）系统能耗低，主机工作功率仅为10W，待机功率仅为0.9W。

总之，本实用新型的智能家居控制系统基于Zigbee协议，针对普通住宅开发了标准商品化、零部署的低成本智能家居系统：关键研制了低成本智能主机（0.7万元/整套系统）和符合国家86盒标准尺寸的带电量统计的Z i gb e e控制墙面插座，并开发了家电/灯光/安防控制模块，用户通过PC或iPhone等智能终端可远程、集中控制系统，并采用现代云端技术而共享了社区生活信息，给用户带来随时随地的良好生活体验及安全感。整套协议采用纯无线部署方式，解决了目前主流智能家居系统采用有线部署的方式带来的设计、部署、施工等的问题，大大节约了部署成本。同时采用了低功耗、符合国际标准的Zigbee通讯协议，在提高无线传输的可靠性的基础上降低了功耗及成本。

附图说明

图1为本实用新型的一种智能家居控制系统的原理示意图；

图2为图1中Zigbee无线传输网络的原理示意图；

图3为图1中继电器终端的原理示意图；

图4为图3中的继电器终端的结构示意图；

图5为图1中固态继电器终端的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

本实用新型的智能家居控制系统在Zigbee协议下，针对普通住宅开发了标准商品化、零部署的低成本智能家居系统，关键是研制了低成本主机、解决了单火线智能开关技术难题，而且不需装潢时预部署，大幅度降低系统成本，并采用现代云端技术而共享了社区生活信息，从而给用户带来随时随地的良好生活体验及安全感，大幅提高智能家居在普通住宅市场的可推广性及适用性。

（1）系统架构

系统架构如图1所示，该系统由以下几个部分组成：

①.前端的控制器11

最前端是控制器11，本系统能够搭载各种类型的控制器，如控制器为移动手机以及移动电脑时，移动手机以及移动电脑可以经现有技术中各种类型的无线数据网络通过路由器131与主机13相连，路由器131与主机13之间采用有线或无线的方式相连。又如控制器为台式电脑时，台式电脑可以通过有线数据网络与路由器131相连。再如控制器为NFC感应控制器以及RFI D感应控制器时，NFC感应控制器以及RFID感应控制器与Zigbee终端节点相连，通过Zigbee无线传输网络与主机13实现通信。具体的说，控制器11可以采用iPad、iPhone手机、Andorid手机、PC或Mac，我们在其上开发智能家居客户端软件以及智能云平台，利用网络与主机13通讯，实现对各类家电的智能控制。这类控制器上，可以给出房间结构示意图，点击不同位置，放大，然后对需要的终端进行控制。主要控制软件，由C/C++开发。实现TCP Listen服务端，然后将指令发送给对应的终端。控制器11还可以是类似传统的开关、NFC感应器、RFID感应器以及可手持的控制板等，这类控制器内建MCU与Zigbee通讯模块，支持用户自定义功能，例如，用户可以在电话旁安装一个RFID感应器，接听电话时，自动实现家里电视、影像的静音功能（或减小音量）；用户可以在卧室设置一个Sleep按钮，按下后，系统会检查门窗是否关好，并且关闭各种电器，调节灯光；用户可以在家门口安装红外感应器，当回到家时，系统可以自动触发预定义程序，例如打开空调、电视，调节灯光等。

②.Zigbee无线传输网络12

终端14通过Zigbee无线传输网络与主机12通讯，具体内容详见下文叙述的Zigbee网络。

③.主机13

主机13简称server，在系统架构图中位于第三部分，他是整个系统的核心,用ARM11核心的开发板进行开发。系统使用Linux，并把相应驱动编译进去。基本功能包括：接受控制指令和控制终端设备。在此基础上，进行高级功能开发，包括监控设备集成，以及可编程宏、IR学习等功能。此外，也可以与传感器配合，基于特定事件进行处理，例如，下雨的时候，自动关闭窗户等。

④.终端14

终端14由单片机和Zigbee模块组成，终端使用前，首先需要与Server配对。终端可以分为几类：

a）继电器终端143：通过Zigbee信号控制继电器的闭合与开启，实现电源的开断。可能需要开发不同电压的终端，以配合施工。用例有：电灯开关，窗户开关等。

b）红外线控制模拟终端142：此类终端搭载IR发射端，根据Server指令，发送特定的红外控制命令实现对空调，电视，机顶盒等的遥控功能。

c）传感器终端（图中未示出）：可以开发多类传感器，如雨水感应器、红外感应器、温度感应器、光线感应器以及煤气泄漏感应器等，以丰富产品功能。

d）针对某类家电定制的终端。如集成品牌中央空调控制PLC。

⑤.家电

大多数直接可以由电源开关控制的家电，基本无需改造，直接可以由继电器终端143来控制。用遥控器的控制的家电，可以使用Server学习控制指令，然后由红外线控制模拟终端142模拟该指令实现控制。

（2）低成本的主机13

①.Zigbee接口和网口

Zigbee网络：

1）星形网络：分为Zigbee协调器121，Zigbee中继节点122和Zigbee终端节点123。其中Zigbee协调器121和主机13连接，通过串口进行信息交互，Zigbee终端节点123集成在各个智能插座、开关、家电控制中心等终端14中，Zigbee中继节点122在Zigbee协调器121和Zigbee终端节点123距离较远时，如距离大于30m时提供中继，每隔30m增加1个Zigbee中继节点122，这样可以保证信息的可靠性传输，具体参见图2所示。

2）主机13通过Zigbee协调器121对插座、开关、家电红外控制中心等终端14进行控制。

a）主机13启动时，通过Zigbee协调器121广播信号，其中包括协调器的MAC地址。终端14在收到广播后，通过MAC地址的唯一性判断是否是需要加入的网络。如果是，以时分的方式向主机发送信息，包括自身的MAC地址。主机13收到终端14的MAC地址后，分配其网络层地址。

b）各终端14重启后，自动发出discovery信号，主机13收到信息后识别其是否是本网络成员，如果是，分配其网络层地址。

c）各终端14在正常工作时周期性的向协调器发送alive信号，以便主机查询各终端14当前状况（正常/异常）。如果终端14的alive信号丢失超过一定次数，主机13向其发送查询信号，若没收到回应，则标记节点异常，等待处理。如果主机13没能对alive信号给予回应的次数超过规定限制，终端14能够进入discovery状态，等待主机13再次组网。

d）通信中使用帧序号的方法，自定义初始序列号和递增防范，避免重放攻击。

（3）ZIGBEE PROTOCOL

1）组网：

a）用户输入终端14（EndDevice）和路由器（Router）的IEEE地址和序列号(KEY)到主机中。主机发送IEEE地址到协调器（Coordinator），Coordinator将上述地址写入子节点列表中

b）Coordinator扫描信道，寻找含有zigbee最少节点的信道，建立工作信道，允许设备加入网络

c）EndDevice和Router启动孤立申明过程，扫描信道，若找到父设备，发送设备加入申请和挑战码。Coordinator收到设备加入申请，判断其I EEE地址是否在子节点列表中，若在，则用对应节点的KEY加密挑战码+新挑战码发送给子节点。

d）新加入的EndDevice和Router收到Coordinator回应的挑战码后，判断是否有效，若有效，验证主机成功，对新挑战码加密后发送给Coordinator。若无效或超时，则退出继续寻找主机。

e）互相验证成功后，Coordinator与各EndDevice完成信息交互，包括短地址，设备描述符和设备编号，帧初始序号等信息。

f）主机可以终止Coordinator等待加入网络的过程。主机记录子节点列表中未加入网络节点IEEE地址，由Coordinator将地址信息发送到Router中，各Router将上述信息存入子节点列表。

g）Router允许节点加入网络，若有仍在孤立申明的节点与Router通信，Router将收到的申请发给Coordinator，若验证成功，则将其加入网络作为Router的子节点，并通知Coordinator。Coordinator更新EndDevice加入网络的状态，同时更新每个Router的路由表。

h）Coordinator和Router关闭允许网络加入状态

2）心跳

a）每个节点间隔一定的时间向Coordinator发送心跳信号，可控制是否包含节点目前状态。Coordinator收到后发送ACK。

b）ARM可配置间隔时间。16个等级。

c）若Router/Coordinator在两个周期内未收到与其直连的EndDevice心跳信号，则判断为EndDevice丢失。若Coordinator两个周期内未收到经路由的EndDevice心跳信号，同时未收到Router汇报，则判断Router丢失。

d）Coordinator将丢失节点在网络中删除，保留其IEEE地址

e）若EndDevice/Router连续两次未收到心跳信号的ACK，则启动孤立申明过程，申请重新加入网络。

f）若EndDevice丢失，标记Router为允许加入网络状态，若Router丢失，标记Coordinator为允许加入网络状态。

3）通信

数据通信时，发送端将有效数据用目的地址的KEY和帧序号进行AES加密，将加密信息列在有效数据之后同时发出。接收端收到数据后，用自身KEY和帧序号加密，判断是否是有效数据。若是，给予响应，若不是，不予响应。

（4）集成了智能云端技术

将与家庭生活有关的资讯、购物、娱乐等信息整合在主机的智能家居平台上，包括缴费、网购、周边商铺打折信息、社区通知等，为用户提供了实用、舒适、人性化的家居环境。

利用云服务，可以与小区中物联网节点通讯，如：当车停入车库时，自动应用归家场景并给在家的亲人提示；生成二维码，自动完成小区访客登记；接收小区内相关通知，自动提醒充值缴纳水电费等；根据传感器反馈室外问题，雨雪情况。

①.建立Linux WebServer

主机基于嵌入Linux系统开发，包括以下功能模块：

a)操作系统：Linux2.6.36。

b)系统驱动：在Zigbee协议栈基础上，深入定制了通讯协议栈，使系统的安全性得到了保障，便于第三方开放商做二次开发，定制自己需要的功能模块。

c)数据库系统：系统提供了嵌入MySql以及SqLite，两种持久化数据存储方案，

d)API接口：服务器提供里基于TCP/IP或者Http–Restful的调用接口，开发者可以进行二次开发，开发新功能。

e)网络系统：802.11bgn Rj-4510/100M自适应，可扩展3G(CMDA2000/WCDMA)模块

f)硬件环境：基于Samsung S3C6410A开发，系统具有RAM:256M,SLCFlash:1GB，并可外接SD存储或利用云存储。

②.系统功能

1）自建Sitemap

2）功能，实现方式

建立远程云服务器，线下签约电商、社区物业、商铺，并对其开通相应的后台。商铺、电商等通过平台将自己的促销信息录入至云服务器。服务器通过地理位置、发布时间等对信息进行分类、整理。终端申请信息请求，服务器通过验证终端用户后自动将信息推送至终端，从而将有用的信息智能的显示给用户。

a)集成本地天气、温湿度、洗晒指数等数据

采用国家气象局权威气象数据接口。以json格式提供，

主机通过获取的本地区温度、天气状况结合主机本地温湿度数据达到自动启动相应电器调节室内温湿度的功能。比如当室内外温度差超过6摄氏度时自动调节空调温度，达到节能舒适的效果。当室内湿度低于一定值后自动启动加湿器。根据每天太阳升起及落下的时间以及天气状况自动调节窗帘开合时间及灯光亮度的自动调节。

b)水电煤缴费信息推送、支持在线缴费

与付费通网站合作，通过付费通网站的付费查询接口，将用户的水、电、煤账单信息查询并推送到主机。用户通过终端应用程序上的支付宝付费接口即可将账单进行网上付费。

c)按家庭地理位置自动推送周边商户促销信息

通过终端系统的地理位置接口获取用户所在位置。在云服务器端开放信息推送接口。签约商户可以通过网络接口将促销信息推送至服务器，用户终端则通过地理位置自动获取与自己有关的信息，并推送给客户。

d)社区信息、通知、活动推送

云服务器端开放认证信息端口，对通过认证的社区物业开通信息推送业务。通过认证的物业人员通过制定登陆口登陆系统，发布小区信息。相应社区的用户即可自动收到社区信息的推送。

e)可定制化电商产品信息推送

通过与相应的电商例如1号店、京东、易讯等合作，将生活日用品信息推送到云服务器，用户通过在云服务器端主动搜索所需品名称，通过支付宝接口实现不出家门采购所需物品的功能。

f)家庭留言板、邮件推送功能。

用户可以通过外部邮件服务器的设置将自己需要的邮件推送至主机。主机内设留言板，用户可以通过终端接口将文本信息存储在主机上。家庭其他用户可以通过其他终端访问主机相应信息。

3）平台可扩展性，提供可二次开发的SDK

本平台在设计的时候，已经充分考虑到引入第三方开发商。开发商可以为本平台定制化的软件以及硬件产品，或者将现有的产品接入本平台中。

例如，安防的开发商可以将门禁系统，室外照明控制系统等接入本平台。当有访客来临时，可以将访客视频信息直接显示到家用电视上，便于认证。同时，也可以设计数字化临时身份卡（如二维码），通过彩信等方式发送访客手机上，自动完成访客登记。

此外，开发商也可以为本系统开发插件，如语音插件，实现语音操控。开发商也可以通过插件在一定范围内改变控制逻辑，如动态的调节空调温度（无人时关闭，早晨，中午，晚上，睡眠时温度动态变化）。

因此，在本平台的基础上，开发周边软件，硬件也能够成为一个很大的市场，考虑到智能家居在将来可能会如同手机一样普及，这个市场在将能可能将超过App Store规模。

（5）智能节能控制

系统可以实时获取家电的耗电数据，并给出能耗报表供用户合理控制用电。并且系统可以自动对待机电器进行断电，自动分配高能耗电器在晚间谷段电费时运行（洗衣机等），自动调整电器的工作时间（饮水机、电饭煲等）从而能够做到节能30%以上。

①.实现目标

1）通过专门的硬件设计，达到对插在插座上电器的实时耗电量的读取，并汇总到主机数据库中。用户可以通过终端设备查询电器的实时功率以及耗电量。

2）系统通过比对电器用电最高用电量及最低用电量，（算法）自动判断电器的待机状态，并可以选择性的进行自动断电。

3）通过用户预先配置的内容以及实时采集的耗电数据，给出家庭月能耗报表。

②.硬件设计

1）功率统计插座

通过专用电能计量芯片进行插座的功率统计，接受主机的查询和配置。

以图3、图4中的继电器终端143为例：

继电器终端143包括电源模块1431，RN8209电能计量芯片1432，单片机以及Zigbee终端节点1433以及继电器1434。电源模块1431将220v交流电转换成5v和3.3v的直流电给RN8209电能计量芯片1432和单片机供电。RN8209电能计量芯片RN8209通过采样电阻进行电流采样，通过分压电路进行电压采样。芯片将采样值存入寄存器中，并作为从机利用SPI(Serial Peripheral Interface)协议与单片机进行通信。单片机向RN8209电能计量芯片1432发出指令，取出寄存器值，通过计算得出用户当前使用电量，并根据需要通过无线通信发送出去。同时，单片机可以接收无线信息，接收指令控制继电器通断，以此控制插座的工作状态，实现远程控制。

2）光线控制插座

以图5中的固态继电器终端141为例

固态继电器终端141还包括电源模块1411以及固态继电器1413，电源模块1411的输入端与市电相连，电源模块1411的输出端与单片机以及Zigbee终端节点1412相连；单片机还与固态继电器1413相连；固态继电器1413与照明灯1414相连。

通过固态继电器1413进行光线控制，满足对灯光特定的几种亮度（20%，40%，60%，80%，100%）

电源模块1411将220V交流电压变为直流电压，并用稳压模块使得电压满足其他模块供电要求(3.3V，5V，12V等)。主机13将配置好的灯光模式信息通过无线模块发送到单片机中，单片机通过PWM波控制固态继电器1413继而调节灯光。

③.实际测算

经过实际测算，一些普通家用电器平均待机功率如下：

电器	待机功率（瓦）
		台式电脑	4.9
电视机	8.07
		挂壁空调	8
洗衣机	2.46
		微波炉	11
音响	12.35

以一户三居室平均家电数量及电器按平均每天待机20小时计算，待机时间得出下表：

电器	待机功率（瓦）	数量	年耗电（度）
				台式电脑	4.9	2	71.54
电视机	8.07	3	176.7
				挂壁空调	8	3	170.8
洗衣机	2.46	1	17.9
				微波炉	11	1	80.3
音响	12.35	1	90.1
				合计			607.34

合计约607.34度电，约合303.67元（包含谷段半价电费）。按平均月电费100元计算，所节约的能源约占整个家庭耗电量的25.3%。

通过系统自动切断待机电器电源以及改善合理电器使用时间能够为用户节约30%~40%的能耗。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型的目的，而并非用作对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求的范围内。

Claims (7)

1.一种智能家居控制系统，其特征在于：

包括控制器、主机以及设有单片机的终端，所述控制器与主机相连并实现双向通信；所述主机与终端之间通过Zigbee无线传输网络实现双向通信；所述Zigbee无线传输网络包括Zigbee协调器、Zigbee中继节点以及Zigbee终端节点，所述Zigbee协调器和主机连接，通过串口进行信息交互；所述Zigbee终端节点与所述终端的单片机相连；

当Zigbee协调器与Zigbee终端节点之间的距离大于30m时，每隔30m增加1个Zigbee中继节点。

2.根据权利要求1所述的智能家居控制系统，其特征在于：

所述终端包括继电器终端、固态继电器终端、红外线控制模拟终端以及传感器终端。

3.根据权利要求2所述的智能家居控制系统，其特征在于：

所述继电器终端还包括电源模块、电能计量芯片以及继电器，所述电源模块的输入端与市电相连，电源模块的输出端分别与电能计量芯片、单片机以及继电器相连；所述单片机分别与电能计量芯片以及继电器相连，所述电能计量芯片还与市电的电源线相连；所述继电器串接在市电的电源线上。

4.根据权利要求2所述的智能家居控制系统，其特征在于：

所述固态继电器终端还包括电源模块以及固态继电器，所述电源模块的输入端与市电相连，电源模块的输出端与单片机相连；所述单片机还与固态继电器相连；所述固态继电器与照明灯相连。

5.根据权利要求1所述的智能家居控制系统，其特征在于：

所述控制器为移动手机以及移动电脑，所述移动手机以及移动电脑通过无线数据网络与主机相连。

6.根据权利要求1所述的智能家居控制系统，其特征在于：

所述控制器为台式电脑，所述台式电脑通过有线数据网络与主机相连。

7.根据权利要求1所述的智能家居控制系统，其特征在于：

所述控制器为NFC感应控制器以及RFID感应控制器，所述NFC感应控制器以及RFID感应控制器与所述Zigbee终端节点相连。

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