物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的設計

周麗榮

吉林化工學院，吉林吉林 132102

0 引言

智能家居又稱智能住宅，在國外常用Smart Home 表示[1]。近幾年，物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)展已經(jīng)全面展開。物聯(lián)網(wǎng)技術通常要用到計算機、無線網(wǎng)絡通信（如ZigBee 技術）、綜合布線、智能控制等技術，可以促進智能家居的發(fā)展，使智能家居更加安全、舒適且方便管理[2]。

1 總體設計思想

本文設計的智能家居系統(tǒng)是一種物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，在這里先對物聯(lián)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的結構進行分析，這個物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)主要是由局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)兩個部分組成，其結構如圖1 所示。物聯(lián)網(wǎng)技術的出現(xiàn)加快了智能家居發(fā)展的腳步，智能家居的發(fā)展也使物聯(lián)網(wǎng)技術的應用得以推廣。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)結構圖

而本文所設計的智能家居系統(tǒng)是在物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)基礎上建立起來的，所以本文所介紹的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)主要也是由互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)兩大部分組成[3]?；ヂ?lián)網(wǎng)這一塊通常有計算機、遠程客戶端服務器、手機和遠程監(jiān)控頁面等；局域網(wǎng)這一塊有末端數(shù)據(jù)采集裝置，末端控制設備和家庭智能網(wǎng)關。

本文在對智能家居系統(tǒng)進行設計時，所選擇的硬件從兩個方面去考慮，一個是成本，一個是性能。這里從嵌入式入手，因為嵌入式技術現(xiàn)在的發(fā)展現(xiàn)狀很好，有很好的性能，更強大的作用，可靠性穩(wěn)定性也更好。網(wǎng)絡連接方式分成有線和無線兩種。

網(wǎng)絡通信上采用ZigBee 網(wǎng)絡，其具有雙向通訊的能力，非常適合用在安防報警等模塊，布線簡單，便于安裝也能夠節(jié)約成本，且ZigBee 可以與其他的模塊或設備很好的兼容。智能家居系統(tǒng)的設計結構圖，如圖2 所示。

圖2 智能家居系統(tǒng)設計結構圖

本設計中所涉及的監(jiān)測目標有：溫度檢測，濕度檢測，室內(nèi)氣體成分的檢測，紅外探測（有非法入侵時可以及時發(fā)出警報），視頻監(jiān)測（便于主人在外工作時掌握家里的情況）。

軟件選擇上要以降低軟件的開發(fā)周期為目標，多使用庫函數(shù)，編寫程序時多采用模塊化，本文不多做介紹。

3 硬件構成概述

硬件主要有兩大模塊：中央處理器模塊和通訊模塊，對這兩個模塊在硬件選擇上作了如下的分析。

本文選用的微處理器MCU，是ARM cortex-M3 處理器，是一個32 位的核，它最大的優(yōu)勢是成本低、耗能少。最終選用的是STM32F103VET6，是增強型，是32 位基于ARM 核心的帶閃存、USB、CAN 的微控制器，有7 個16 位定時器、兩個ADC、9 個通信接口。2.0 ～3.6V 供電電源，功耗低，有睡眠、停機和待機三種模式。電壓調(diào)壓器有主模式（MR）、低功耗模式（LPR）和關斷模式三種操作模式，在正常運行時是處于MR 模式；停機時處于LPR 模式；待機時處于關斷模式，這時的調(diào)壓器以高阻狀態(tài)輸出，無能耗。其實物圖與管腳圖如圖3（a）、（b）所示。

圖3 STM32F103VET6 的實物圖與管腳圖

通訊模塊主要有：Zigbee 模塊是局域網(wǎng)之間進行互聯(lián)的模塊；GPRS 模塊是互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)之間進行互聯(lián)的模塊[4]。Zigbee 模塊使用可編程Zigbee 模塊XBee-PRO ZB，最大發(fā)射功率是50mW，決定著發(fā)射距離長短。XBee-PRO 模塊內(nèi)部有發(fā)射（RF TX）緩沖器和接收（RF RX）緩沖器，每一個緩沖器提供100bytes 暫時停靠的地方，數(shù)據(jù)可以從兩個方面同時抵達，即發(fā)射數(shù)據(jù)來自UART 及接收數(shù)據(jù)來自RF 鏈路經(jīng)天線而來。

根據(jù)需求選擇GPRS 模塊，一是系統(tǒng)中有大量的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，二是能耗，最終選擇了SIMCOM 公司的SIM900A 芯片，是GSM/GPRS 模塊，用SMT 進行封裝，性能強大，可內(nèi)置客戶應用程式。具有以下特點：只有24*24*3mm 的尺寸，非常??；便于客戶生產(chǎn)加工；功耗低，待機模式電流低于18mA、sleep模式低于2mA；支持GSM（900 MHz）/CPRS（1800MHz）的頻段；語音編碼，支持半速率、全速率、增強型速率；單電壓供電方式，范圍為3.4V-4.5V；省電，因為在SLEEP 模式下電流1.0mA；支持SIM 卡，1.8V、3V；支持實時時鐘；可以通過AT 命令設置定時功能；可以通過調(diào)試口對軟件進行升級。其頂視和底視圖如圖4 所示。

圖4 SIM900A 頂視和底視圖

本設計主要使用無線的網(wǎng)絡連接方式，實現(xiàn)時會用到大量的傳感器，如對室內(nèi)溫濕度進行監(jiān)測的傳感器、對室內(nèi)氣體進行監(jiān)測的氣敏傳感器等，各傳感器就是一個簡單的功能模塊，而室內(nèi)還有一些智能家電或智能裝置，傳感器或家用電器盡量都通過無線組網(wǎng)的方式和末端采控節(jié)點連接[5]。末端采控節(jié)點有：末端采集節(jié)點，對數(shù)據(jù)或信息做收集、處理和傳輸?shù)裙ぷ鳎⑶矣行┕?jié)點具有路由的功能，對其他的節(jié)點傳輸過來的數(shù)據(jù)進行存儲和管理；另一種是末端控制節(jié)點，接收上層網(wǎng)絡傳輸來的控制指令，要求控制節(jié)點可以做決定，且自身集成的繼電器能夠驅(qū)動執(zhí)行部件對該指令做出反應。整個系統(tǒng)還需要將收集到末端采控節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)利用一個傳輸網(wǎng)絡送到移動基站上，由網(wǎng)關來完成[6]。那么根據(jù)各節(jié)點所實現(xiàn)的功能不同也可以把系統(tǒng)分為末端采控節(jié)點、家庭網(wǎng)關節(jié)點、遠程監(jiān)控頁面三大模塊。

本文對智能家居系統(tǒng)的整體設計方案作了簡單的介紹，重點說明設計中所用的一些硬件設施：STM32F103VET6、Zigbee模塊XBee-PRO ZB、SIMCOM 公司的SIM900A 芯片。還對網(wǎng)絡連接方式作了一個簡單的介紹，若對整個系統(tǒng)進行深入研究，物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)會實現(xiàn)人們對住房智能化的更高的要求。

[1]中國智能家居網(wǎng).http：//www.smarthomecn.com/.

[2]賈雯杰.物聯(lián)網(wǎng)與智能家居發(fā)展淺析.科技與生活，2010，13：119.

[3]李鴻.幾種智能家居網(wǎng)絡控制系統(tǒng)方案的分析與比較[J].現(xiàn)代電子技術，2010，3：143-146.

[4]周雷.融合GPRS技術的ZigBee無線網(wǎng)絡[J].通訊電子技術，2010，47：6.

[5]于晅.基于GPRS和ZigBee技術的[5]智能家居解決方案的研究.貴州：貴州大學，2007.

[6]Deborah E.Wireless Sensor Networks Tutorial PART IV： Sensor Network Protocols[C].Atlanta, Georgia, USA： Westin Peachtree Plaza，2002：23-28.