基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)

郝 娜

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程系，河北 石家莊 050081)

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基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)

郝 娜

(石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與電子工程系，河北 石家莊 050081)

以嵌入式微處理器為核心，將組態(tài)軟件Kingview、無線傳感技術(shù)、3G網(wǎng)絡(luò)和ARM技術(shù)相結(jié)合，組建了一個(gè)家庭WEB網(wǎng)關(guān)平臺(tái)，通過它將3G通信網(wǎng)絡(luò)和家居內(nèi)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)相連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居內(nèi)多種設(shè)備的集中管理和控制.

Kingview； 3G網(wǎng)絡(luò)； ARM技術(shù)； 無線傳感器技術(shù)； 安全性

智能家居又稱數(shù)字家園，即利用信息傳感設(shè)備與家居生活中相關(guān)的家電、安防、水、電、氣等設(shè)施集成，并通過互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)進(jìn)行監(jiān)控、管理和通信，構(gòu)建的一個(gè)高效的住宅設(shè)施和家居管理系統(tǒng).作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個(gè)領(lǐng)域，智能家居管理系統(tǒng)利用先進(jìn)的智能控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各種設(shè)備組合在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居的監(jiān)控和管理.本文以組態(tài)技術(shù)的發(fā)展為契機(jī)，以物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為背景，設(shè)計(jì)了一種基于組態(tài)軟件Kingview、無線傳感技術(shù)、3G網(wǎng)絡(luò)和ARM技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)[1].

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)智能家居管理系統(tǒng)的功能需求，將其分為四個(gè)子系統(tǒng)：一是環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)，將室內(nèi)的溫濕度、光照度等環(huán)境因素控制在一個(gè)適宜的范圍內(nèi)；二是安防監(jiān)控子系統(tǒng)，監(jiān)控室內(nèi)的防盜、火災(zāi)、燃?xì)庑孤┑劝踩珷顩r，一旦出現(xiàn)緊急情況系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警，且使執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作；三是遠(yuǎn)程抄表子系統(tǒng)，采集室內(nèi)水、電、煤氣的數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示，月底發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)表；四是供電控制子系統(tǒng)，供給家居內(nèi)機(jī)電設(shè)備正常用電，并以家居內(nèi)的溫濕度、光照度、安防等為控制對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化控制.同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)，兼顧系統(tǒng)之間的交互聯(lián)動(dòng)控制，在組態(tài)軟件Kingview的基礎(chǔ)上開發(fā)具有開放性的智能家居綜合管理系統(tǒng).

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述智能家居的總體設(shè)計(jì)，采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)ZigBee和嵌入式ARM技術(shù)構(gòu)成家庭WEB網(wǎng)關(guān)平臺(tái)，通過紅外傳感器、氣敏傳感器、濕敏傳感器、溫度傳感器和無線智能插座等設(shè)備實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能.本文僅選擇其中兩個(gè)具有代表性的子系統(tǒng)來介紹具體的設(shè)計(jì)情況.

2.1 環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)控子系統(tǒng)主要包括溫濕度和光照的檢測兩部分.溫濕度檢測是非常重要的一環(huán)，本設(shè)計(jì)選用數(shù)字式集成溫濕度傳感器SHT11來實(shí)現(xiàn)該功能.SHT11的檢測精度能夠滿足家庭使用，其檢測信號(hào)通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳送到家庭網(wǎng)關(guān)平臺(tái)，通過家庭網(wǎng)關(guān)進(jìn)行后續(xù)信號(hào)的處理.無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee技術(shù).ZigBee這種新型的無線網(wǎng)絡(luò)具有抗干擾、低功耗、易組網(wǎng)等特點(diǎn)，非常適合于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的需求[1].本設(shè)計(jì)中選用的ZigBee芯片為CC2430芯片，該芯片是世界上首款符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的射頻單芯片，其頻率為2.4 GHz，由CHIPCON公司設(shè)計(jì)，它適用于多種ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以及與之相關(guān)的路由器、協(xié)調(diào)器、終端設(shè)備等.CC2430芯片集成度很高，只需較少的外圍器件就可以組建一個(gè)完整的系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)的接收和發(fā)送.連接電路如圖1所示.在硬件電路的基礎(chǔ)上配合相應(yīng)軟件就可以實(shí)現(xiàn)溫濕度的采集和報(bào)警.

圖1 溫濕度傳感器硬件電路

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的檢測與控制，除了上述溫濕度檢測電路向家庭網(wǎng)關(guān)傳送數(shù)據(jù)，還需要設(shè)計(jì)一個(gè)接收控制命令的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，本文選用以標(biāo)準(zhǔn)CC2430模塊為核心的智能插座，并在外圍擴(kuò)展繼電器控制電路，根據(jù)開關(guān)命令實(shí)現(xiàn)繼電器的通斷電.繼電器的通斷電由CC2430的一個(gè)輸出引腳控制.其電路如圖2所示，當(dāng)三極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)，繼電器線圈會(huì)出現(xiàn)較大的感應(yīng)電勢，為了保護(hù)三極管，在繼電器兩端反向串聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管4148，以吸收該電勢.

圖2 智能插座硬件節(jié)點(diǎn)電路

2.2 安防監(jiān)控子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

安防監(jiān)控子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)監(jiān)控室內(nèi)的防盜、火災(zāi)、燃?xì)庑孤┑劝踩珷顩r，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示.

其中，氣敏傳感器負(fù)責(zé)進(jìn)行燃?xì)庑孤z測，本設(shè)計(jì)中選擇QM-N5型氣敏傳感器，當(dāng)其檢測到燃?xì)庑孤r(shí)，電導(dǎo)率迅速升高，將此信號(hào)放大后通過CC2430模塊傳送給主控器.熱釋電紅外傳感器是基于熱電效應(yīng)的紅外傳感器，其熱電系數(shù)高于熱電偶，由傳感探測元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器三部分組成，通過配套的菲尼爾透鏡，能夠檢測到一定范圍內(nèi)的人體輻射，進(jìn)行防盜報(bào)警.火災(zāi)報(bào)警選用對(duì)煙霧敏感的氣敏傳感器來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)檢測到煙霧時(shí)傳感器的電阻值發(fā)生變化，輸出相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)行報(bào)警.

圖3 安防子系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)

3 嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是智能家居控制系統(tǒng)中非常重要的一環(huán)，它起著承上啟下的作用，是連接服務(wù)器和終端設(shè)備的樞紐，且負(fù)責(zé)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)和家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的交互訪問.用戶對(duì)家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和管理也需要通過物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)完成.

本設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采用S3C2440芯片作為主控制器.S3C2440是以ARM920T為核心的RISC微處理器，該芯片具有低功耗和高性能的特點(diǎn)，能夠滿足設(shè)計(jì)需求，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示.主控制器S3C2440和ZigBee模塊、3G模塊的連接通過USB接口實(shí)現(xiàn).ZigBee模塊不但完成主控制器與家庭內(nèi)部無線網(wǎng)絡(luò)的通信，還實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換.3G無線上網(wǎng)模塊采用E156G無線上網(wǎng)卡(華為)實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)功能[2].

圖4 家庭網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

利用北京亞控科技發(fā)展有限公司開發(fā)的組態(tài)軟件Kingview 6.53來設(shè)計(jì)監(jiān)控界面.Kingview軟件是用于過程控制和數(shù)據(jù)采集的專用軟件，提供資源管理模式的操作界面，使用靈活，支持多種主流硬件設(shè)備，包括艾默生、歐姆龍、西門子等各廠家的PLC系列、智能儀表系列、智能模塊系列、板卡系列等.Kingview軟件具有較強(qiáng)的通信功能，并提供OPC接口、網(wǎng)絡(luò)等功能，在國內(nèi)市場占有很大的比重.

4.1 基于Kingview的設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

Kingview把與之通信的設(shè)備都看作是外部設(shè)備.為實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的通信，Kingview內(nèi)置了大量設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序作為通訊接口.Kingview軟件運(yùn)行期間，通過驅(qū)動(dòng)程序和外部設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù).每一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序都是Kingview軟件的一個(gè)COM對(duì)象，這種通信方式使驅(qū)動(dòng)程序和Kingview軟件組成一個(gè)完整的系統(tǒng).Kingview軟件驅(qū)動(dòng)程序是其與硬件設(shè)備連接的樞紐，本設(shè)計(jì)中的通信協(xié)議采用小端模式，即默認(rèn)數(shù)據(jù)格式為低字節(jié)數(shù)據(jù)在前，該協(xié)議定義了光強(qiáng)感測設(shè)備、燈光控制設(shè)備、溫濕度檢測設(shè)備、電能檢測設(shè)備、人體檢測設(shè)備、燃?xì)庑孤z測設(shè)備、智能插座、幕布控制設(shè)備共八類設(shè)備.

利用驅(qū)動(dòng)加載工具把驅(qū)動(dòng)加載到Kingview軟件中分為三步：第一步，給該驅(qū)動(dòng)配置一個(gè)描述文件(擴(kuò)展名為.des)，該描述文件不能單獨(dú)使用和操作，只能配合驅(qū)動(dòng)文件一起安裝使用；第二步，在建好.des文件后利用驅(qū)動(dòng)開發(fā)包工具加載安裝驅(qū)動(dòng)；第三步，打開Kingview的工程管理器，點(diǎn)擊設(shè)備，然后點(diǎn) “新建”，出現(xiàn)設(shè)備配置向?qū)В谠O(shè)備驅(qū)動(dòng)一欄即可看到新加載的驅(qū)動(dòng)[3].

4.2 基于Kingview的監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

監(jiān)控界面是使用者操控底層設(shè)備的界面，通過監(jiān)控界面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的全面檢測與實(shí)時(shí)控制，利用Kingview開發(fā)工程的一般過程如下：設(shè)計(jì)圖形界面，即定義畫面；定義設(shè)備；構(gòu)造數(shù)據(jù)庫，即定義變量；建立動(dòng)畫連接；運(yùn)行和調(diào)試[4].本設(shè)計(jì)的監(jiān)控界面運(yùn)行圖如圖5所示.

圖5 物聯(lián)網(wǎng)家居監(jiān)控界面

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)，與其他智能家居系統(tǒng)不同，不但可以實(shí)現(xiàn)家居內(nèi)電氣設(shè)備之間的互聯(lián)互通，還可以將整個(gè)家居系統(tǒng)中的設(shè)備通過3G網(wǎng)絡(luò)連接至互聯(lián)網(wǎng)，并利用Kingview軟件在上位機(jī)層面開發(fā)監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能家居系統(tǒng)整體的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理.試驗(yàn)表明，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可靠性高，協(xié)議轉(zhuǎn)換效率高，抗干擾能力強(qiáng)，具有很好的通用性，適合在智能家居系統(tǒng)中應(yīng)用.

[1] 易強(qiáng).基于3G和ZigBee的智能家居無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廣東：廣東工業(yè)大學(xué)，2012.

[2] 苗瑞瑞.基于3G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].江西：江西理工大學(xué)，2011.

[3] 趙慧.基于組態(tài)軟件的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)監(jiān)控軟件的研究與實(shí)現(xiàn)[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2012.

[4] 北京亞控科技發(fā)展有限公司.Kingview組態(tài)王6.53使用手冊(cè)3.0[M].北京：北京亞控科技發(fā)展有限公司，2007：31-53.

責(zé)任編輯：金 欣

The IOT-based smart home control system

HAO Na

(Department of Electrics and Electronics, Shijiazhuang Vocational Technology Institute, Shijiazhuang, Hebei 050081, China)

The Kingview, ZigBee wireless sensing technology, 3G network and ARM technology are combined to design a home gateway with an embedded microprocessor.The gateway connects 3G and ZigBee networks in the home, and realizes the centralized management of information appliances.The user can do the status query and control management of household appliances by the remote PC or smart phone.

Kingview; 3G network; ARM technology; wireless sensing technology; net security

2015-05-04

郝 娜(1982-)，女，河北辛集人，石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，研究方向：自動(dòng)檢測技術(shù).

1009-4873(2015)04-0030-04

TP273.5

A