CN103763164A

CN103763164A - 一种基于智能插座的智能家居系统

Info

Publication number: CN103763164A
Application number: CN201410052786.1A
Authority: CN
Inventors: 程树英; 苏诗荐; 章杰; 林培杰; 赖松林
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2014-02-17
Publication date: 2014-04-30

Abstract

本发明涉及一种基于智能插座的智能家居系统，其特征在于：以分层式结构设计和模块化设计为原则，将系统分成监控层、组织管理层、代理层和功能层，所述功能层由复数个功能外设构成，负责实现智能家居系统的具体功能；所述代理层由复数个智能插座构成，负责控制和管理所述功能外设；所述组织管理层由家庭网关构成，负责组织和管理各个智能插座和功能外设；所述监控层由监控终端构成，提供一个人性化的操控界面控制和管理所述功能外设。本发明引入多元化节能措施，提高节能效率；采用分层式结构设计，易于标准化；采用模块化设计，用户可以根据需求进行个性化安装；实现功能外设零配置下的即插即用，用户可以随时增添、删除或升级功能外设。

Description

一种基于智能插座的智能家居系统

技术领域

本发明涉及智能家居系统构建技术领域，特别是一种基于智能插座的智能家居系统。

背景技术

多Agent系统(multi-Agent system，MAS)是分布式人工智能中一个重要的研究方向，虽然目前对MAS的研究总体上来说还处于发展的初步阶段，离真正的实用化还有一定的距离，但却为其它领域的应用如智能家居系统设计和实现提供了新的思路和方法。在基于多Agent的智能家居系统中，个体Agent不但能按自己的运行规律运作，而且能够通过一定方式与外界交流与协作。而由多Agent组成的MAS团体，由不同个体Agent通过协作实现团体任务。团体的组织是一种松散的结构，个体的加入和退出较为灵活自由，因此非常适合用来建立智能家居系统模型。

智能家居网络的拓扑结构由内网和外网构成，内网是家庭内部的功能外设与家庭网关组建成的家庭网络，外网指互联网(Internet)。家庭网络作为智能家居系统的核心，组建方式多种多样，目前市场上智能家居系统不是分层式结构，功能外设通过有线或无线与家庭网关直接相连，增加家庭网关和系统结构的复杂度。此外，现有智能家居系统的家庭网络开放性差，难以实现功能外设的即插即用，系统结构较为固定。

家居的智能化增加家庭整体能耗，许多用电设备没有及时关掉或长时间处于待机状态，造成能源的浪费。现有智能家居系统的节能措施主要以自动化控制为主，如灯光感应控制功能，人来灯亮，人走灯灭，这类节能措施功能单一、效果一般。实时反馈机制被普遍认为是一种有效的节能方式，如专利号为201120459673公开的基于物联网的智能节能系统提供了一种将实时计量和实时控制二者结合起来，达到节约能耗的方法，但是此类系统独立，还没很好地融合到智能家居系统中。

综上，现有智能家居系统存在以下问题：

1、不能实现功能外设的即插即用，不便用户增添、删除或升级功能外设；

2、系统结构复杂、固定，不易标准化，且安装完后不易改动，灵活度不高；

3、节能措施单一，不够节能环保。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于智能插座的智能家居系统，该方案不仅巧妙引入多元化节能措施，实现功能外设零配置下的即插即用，而且系统结构简单灵活，有良好的扩展性。

本发明采用以下方案实现：一种基于智能插座的智能家居系统，其特征在于：以分层式结构设计和模块化设计为原则，将系统分成监控层、组织管理层、代理层和功能层，所述功能层由复数个功能外设构成，负责实现智能家居系统的具体功能；所述代理层由复数个智能插座构成，负责控制和管理所述功能外设；所述组织管理层由家庭网关构成，负责组织和管理各个智能插座和功能外设；所述监控层由监控终端构成，提供一个人性化的操控界面控制和管理所述功能外设，为实现远程监控功能外设提供途径。

在本发明一实施例中，所述智能插座为带数据交互和网络通信功能的智能插座。

在本发明一实施例中，所述带数据交互和网络通信功能的智能插座包括一嵌入式处理器，所述嵌入式处理器连接一电能计量模块、一开关电源、一继电器阵列、一数据交互接口、一无线网络通信模块和一显示屏，市电输入通过所述电能计量模块连接到所述开关电源和继电器阵列。

在本发明一实施例中，所述功能外设通过所述数据交互接口与所述智能插座通信。

在本发明一实施例中，所述智能插座的电能计量模块和继电器阵列，实现电能计量实时反馈、用电设备待机检测和远程实时控制的多元化节能措施。

在本发明一实施例中，所述家庭网关采用MAS技术组织和管理各个功能外设。

在本发明一实施例中，所述监控终端是Windows、Linux、Android或iOS上的应用程序。

在本发明一实施例中，所述智能插座采用统一的协议与所述家庭网关通信。

在本发明一实施例中，所述智能插座上的功能外设能够随意的插拔，配合所述家庭网关，实现所述功能外设零配置的即插即用。

本发明的有益效果是，引入多元化节能措施，提高节能效率，符合国家提倡的节能减排；采用分层式结构设计，系统结构松散耦合、功能分明，易于标准化；采用模块化设计，用户可以根据需求选择功能外设进行个性化安装，节约成本；实现功能外设零配置下的即插即用，用户可以随时增添、删除或升级功能外设，提高用户体验和智能家居系统的灵活性。

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的系统框架图。

图2是本发明中智能插座的系统框架图。

图3是本发明功能外设与家庭网关交互时序图。

图4是本发明一实施例的应用框架图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种基于智能插座的智能家居系统，以分层式结构设计和模块化设计为原则，将系统分成监控层、组织管理层、代理层和功能层，所述功能层由复数个功能外设构成，所述功能外设负责实现智能家居系统的具体功能；所述代理层由复数个智能插座构成，所述智能插座负责控制和管理智能插座上的功能外设；所述组织管理层由家庭网关构成，所述家庭网关负责组织和管理各个智能插座和智能插座上的功能外设，并为各种监控终端提供服务，还提供操控界面，方便用户控制和管理各个功能外设；所述监控层由监控终端构成，所述监控终端提供一个人性化的操控界面控制和管理智能家居系统内的功能外设，为实现远程监控功能外设（家庭设备）提供途径。

本发明所述的智能家居系统以家庭网关为中心，智能插座为基本单元，结合无线通信方式构建出家庭网络的主干网；在此主干网的基础上，根据需要增添一些功能外设，以实现更复杂的功能，从而构建出完整的家庭网络；最后，监控终端通过家庭网关控制和管理系统的各个设备。

本发明中，功能层通过代理层与组织管理层交互，降低家庭网关与功能外设之间的依赖性，减少家庭网关和系统结构的复杂度；采用模块化设计，用户可以根据需求选择功能外设进行个性化安装，提高系统结构的灵活性；智能插座采用统一的标准协议与家庭网关通信，智能插座的数量可以随意的增加和撤除，提高系统结构的灵活性；智能插座上的功能外设可以随意的插拔，配合相应的家庭网关，实现功能外设零配置的即插即用；智能插座上有电能计量模块和继电器阵列，实现电能计量实时反馈、用电设备待机检测和远程实时控制的多元化节能措施。

所述家庭网关采用MAS技术组织和管理各个功能外设，一个功能外设对应一个Agent，通过Agent组织和管理各个智能插座和功能外设，采用MAS技术能很好地实现智能家居系统的模块化设计和功能外设的即插即用，使所构建的智能家居系统具有良好的开放性和扩展性。

所述智能插座采用统一的标准协议与所述家庭网关通信，智能插座的数量可以随意的增加和撤除，提高系统结构的灵活性；所述智能插座上的功能外设能够随意的插拔，配合所述相应的家庭网关，实现所述功能外设零配置的即插即用。

优选的，所述智能插座为带数据交互和网络通信功能的智能插座，如图2所示，所述带数据交互和网络通信功能的智能插座包括一嵌入式处理器，所述嵌入式处理器连接一电能计量模块、一开关电源、一继电器阵列、一数据交互接口、一无线网络通信模块和一显示屏，市电输入通过所述电能计量模块连接到所述开关电源和继电器阵列，继电器阵列用于控制插座上插孔的通断；所述功能外设通过所述数据交互接口与所述智能插座通信；所述智能插座的电能计量模块和继电器阵列，实现电能计量实时反馈、用电设备待机检测和远程实时控制的多元化节能措施。因此智能插座一方面负责控制和管理智能插座上的功能外设，屏蔽了功能外设特定的接口类型与通信协议，起到代理作用；另一方面智能插座实现电能计量实时反馈、用电设备待机检测和远程实时控制的多元化节能措施。

所述功能外设零配置下的即插即用，功能外设与家庭网关之间的交互需要符合一定协议，符合此规范的功能外设可以实现零配置下的即插即用。如图3所示，其中功能外设刚插入插座，发送入网注册请求，家庭网关检测为合法设备后，授权上报设备描述信息，最后完成注册。设备描述信息包括设备属性（产品名称、型号、厂商名称、标识号等）、动作列表（动作名称、参数、动作返回值等）和状态列表（状态名称、数据类型、有效值范围等）等，家庭网关解析设备描述信息并生成相应的控制界面。用户操作控制界面，家庭网关会发出指定设备的动作指令，功能外设执行动作指令并返回状态报告。若功能外设的状态发生变化时，会主动向家庭网关发送事件报告，功能外设还会定时地发送心跳包，保证家庭网关与功能外设的连接。

所述功能外设负责实现智能家居的具体功能，每个功能外设通过数据交互接口与智能插座进行交互。如家居照明系统中，用灯光集中控制器控制灯光的工作状态；环境控制系统中，用环境传感设备采集一些环境参数，家庭网关根据这些参数联动其它子系统使家庭环境达到一个理想状态；家电控制系统中，用学习型红外设备控制能受红外遥控器控制的设备，或者直接通过数据交互接口控制带指定接口的家电设备。

所述监控终端是Windows、Linux、Android或iOS等平台上的应用程序。用户通过监控终端可以方便的查看电量使用情况，查看和控制智能插座上插孔的通断状态，如果有外插一些功能外设，则相应设备的控制界面就会显示出来。

为了让本领域一般技术人员更好的理解本发明的系统结构，以下结合本发明的系统框架图以及图4说明本发明的控制原理。

所述家庭网关负责组织和管理各个智能插座和插座上的功能外设，并为各种监控终端提供服务，还提供操控界面。

优选的，采用ARM9嵌入式处理器、嵌入式Linux平台、Qt图形界面开发工具库、嵌入式数据库SQLite3、WI-FI无线通信方式，设计一个智能家居系统的家庭网关。为实现智能家居系统的模块化设计和功能外设的即插即用，采用MAS技术分别设计核心Agent、协调管理Agent、移动Agent和设备Agent，并按照分级管理的方式组织整个模型。Agent按照功能和角色分为三大类，一类是完成具体功能的，如设备Agent和用户Agent；一类是专门负责进行控制、管理和任务协调的核心Agent；还有一类是辅助核心Agent管理设备Agent的协调管理Agent。

所述智能插座是一种带数据交互和网络通信功能的智能插座，包括一嵌入式处理器、一电能计量模块、一开关电源、一继电器阵列、一数据交互接口、一无线网络通信模块和一显示屏，市电输入通过所述电能计量模块连接到所述开关电源和继电器阵列。

优选的，电能计量电路以电能计量转换芯片ADE7755为核心，实现对线路上用电设备的耗电测量，此外采用阈值自适应技术实现用电设备待机状态的检测。

优选的，继电器阵列采用控制电压为5V的直流电磁继电器，用三极管作驱动。当处理器输出高电平时，三极管饱和导通，继电器通电吸合，负载与市电的连接断开；反之负载电器上电工作。

优选的，无线网络通信模块选择WI-FI无线通信方式，一方面是WI-FI技术已经很成熟，具有速度快、稳定性好等优点，另一方面是现在有很多WI-FI的上网设备，如智能手机、电脑、智能电视等，因此WI-FI在家庭内部几乎是必备。

优选的，数据交互接口主要用来与智能设备之间的数据交互，为实现智能外设的即插即用，以USB接口为主。考虑到可能存在其他类型的接口设备，因此也会提供UART等接口。

优选的，显示屏是一触摸显示屏，用于输入和显示简单信息。

优选的，嵌入式处理器选择stm32f107，它采用cortex-m3内核，内置USB-OTG、多个定时器、以太网控制器、多路UART接口等，可以符合该智能插座的要求。

所述功能外设负责实现智能家居的具体功能，每个功能外设通过数据交互接口与智能插座进行交互，数据交互接口可以为USB接口、UART等接口。功能外设可以为学习型红外设备、灯光集中控制器、环境传感设备、门窗控制设备以及报警设备等。

优选的，功能外设之一学习型红外设备，红外学习的原理是保存红外波形信息，而不用去理会其编码的构成和含义。红外学习的过程可以表述为，通过单片机的外部中断采集这些高低电平，将这些信息作为波形信息的一种形式保存下来。当需要控制家电的时候，按照保存的波形信息还原成二进制脉冲，再经高频载波调制后发射出去，从而达到控制家电的目的。

优选的，功能外设之一环境传感设备，该设备采集室内的环境参数（温度、湿度、烟雾等），把采集到的参数通过数据交互接口传到智能插座上。

优选的，功能外设之一灯光集中控制器，灯光集中控制器由两个子设备组成，一个是与智能插座相连的控制设备，一个是与灯光相连的执行设备，二者通过无线的方式进行通信；控制设备负责与智能插座交互并将信息通过无线方式传给执行设备。执行设备除了控制灯光的开与关，还要解决单火取电问题，即从市电取出5V供给单片机和无线模块使用。

所述监控终端提供一个人性化的操控界面控制和管理家庭内的功能外设，为实现远程监控家庭设备提供途径，监控终端可以是Windows、Linux、Android或iOS等平台上的应用程序。

优选的，在Android平台上，采用JAVA语言，结合相应的API框架、TCP/IP协议和XML可扩展标记语言开发一套监控终端软件。

为了体现本发明的有益效果，以下结合本实施例说明本发明的操作过程。

当打开用户的监控界面，可以查看用电设备的工作状态，可远程关闭处于待机状态的用电设备，也可以查看用电设备最近一段时间的用电情况，引导用户节约能源。系统可以根据用户需要进行个性化安装，当需要采集环境参数时，可将环境传感设备插到智能插座上时，该设备会自动注册到该智能家居系统中，并在监控界面上显示相关的环境参数。拔掉设备后，该设备自动从该智能家居系统中卸载，同时监控界面去除该设备的监控界面。若现有智能插座不能满足较多外设时，可以随意再增加一个智能插座，只要对该智能插座简单配置即可加入家庭网络中。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于智能插座的智能家居系统，其特征在于：以分层式结构设计和模块化设计为原则，将系统分成监控层、组织管理层、代理层和功能层，所述功能层由复数个功能外设构成，负责实现智能家居系统的具体功能；所述代理层由复数个智能插座构成，负责控制和管理所述功能外设；所述组织管理层由家庭网关构成，负责组织和管理各个智能插座和功能外设；所述监控层由监控终端构成，提供一个人性化的操控界面控制和管理所述功能外设，为实现远程监控功能外设提供途径。

2.根据权利要求1所述的一种基于智能插座的智能家居系统，其特征在于：所述智能插座为带数据交互和网络通信功能的智能插座。

3.根据权利要求2所述的一种基于智能插座的智能家居系统，其特征在于：所述带数据交互和网络通信功能的智能插座包括一嵌入式处理器，所述嵌入式处理器连接一电能计量模块、一开关电源、一继电器阵列、一数据交互接口、一无线网络通信模块和一显示屏，市电输入通过所述电能计量模块连接到所述开关电源和继电器阵列。

4.根据权利要求3所述的一种基于智能插座的智能家居系统，其特征在于：所述功能外设通过所述数据交互接口与所述智能插座通信。

5.根据权利要求3所述的一种基于智能插座的智能家居系统，其特征在于：所述智能插座的电能计量模块和继电器阵列，实现电能计量实时反馈、用电设备待机检测和远程实时控制的多元化节能措施。

6.根据权利要求1所述的一种基于智能插座的智能家居系统，其特征在于：所述家庭网关采用MAS技术组织和管理各个功能外设。

7.根据权利要求1所述的一种基于智能插座的智能家居系统，其特征在于：所述监控终端是Windows、Linux、Android或iOS上的应用程序。

8.根据权利要求1所述的一种基于智能插座的智能家居系统，其特征在于：所述智能插座采用统一的协议与所述家庭网关通信。

9.根据权利要求1所述的一种基于智能插座的智能家居系统，其特征在于：所述智能插座上的功能外设能够随意的插拔，配合所述家庭网关，实现所述功能外设零配置的即插即用。