基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

何文超　郭盼　王國健

摘 要：在介紹當(dāng)前智能家居系統(tǒng)的發(fā)展前景和主流的設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，分析了現(xiàn)今智能家居系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。應(yīng)用ARM平臺(tái)開發(fā)智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)由監(jiān)控系統(tǒng)主控制器、無線傳輸模塊、藍(lán)牙通信模塊、WiFi模塊以及GSM模塊組成。以無線通信模塊實(shí)現(xiàn)信息的監(jiān)測與控制；藍(lán)牙通信模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)與控制器的局域網(wǎng)絡(luò)控制；GSM模塊實(shí)現(xiàn)短消息報(bào)警功能；WiFi模塊將室內(nèi)信息上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 智能家居 無線通信

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（a）-0001-02

現(xiàn)代的智能家居系統(tǒng)，主要以網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和安全防范技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)居住環(huán)境監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警等功能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，未來智能家居系統(tǒng)將成為主要的發(fā)展趨勢。近年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，為智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)提供了便利，大大促進(jìn)了智能家居系統(tǒng)的推廣。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為總控制器，通過NRF24L01無線通信模塊與從機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。HC-05藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與手機(jī)間的信息交互。GSM實(shí)現(xiàn)短信報(bào)警功能。WiFi模塊將室內(nèi)信息傳到物聯(lián)網(wǎng)。

主控制器與GSM模塊之間采用串口方式通信，主控制器與藍(lán)牙模塊間采用串口通信，主控制器與無線通信模塊間采用SPI協(xié)議通信。從機(jī)采用STC89C52單片機(jī)，通過NRF24L01無線通信模塊與主控制器進(jìn)行通信。

1.2 芯片的選型及介紹

（1）主控制器芯片的選用。

該系統(tǒng)的主控制器芯片選用STM32F-103VET6。芯片內(nèi)部集成有5個(gè)串行總線接口。其中，USART1～UART3為異步串行通信，UART4和UART5是同步穿行通信。系統(tǒng)與GSM模塊通信選擇USART2，與藍(lán)牙模塊通信選擇USART3，與ESP8266模塊通信選擇USART1。芯片集成有3個(gè)專門用于SPI協(xié)議通信的接口，該系統(tǒng)選用SPI1與無線通信模塊間進(jìn)行通信。

（2）無線通信模塊。

無線通信模塊采用NRF24L01，與控制器間采用SPI協(xié)議通信。最高工作速率2 Mbps，采用高效的GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)。其工作電壓為1.9～3.6 V，因此采用3.3 V電壓供電，SPI管腳直接與單片機(jī)相應(yīng)管腳相連接。

NRF24L01的工作模式主要有收發(fā)模式、配置模式、空閑模式以及關(guān)機(jī)模式。其工作模式由PWR_UP寄存器、PRIM_RX寄存器以及CE引腳決定，系統(tǒng)工作時(shí)，將處于收發(fā)模式。收發(fā)模式有三種：Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式、ShockBurstTM收發(fā)模式以及直接收發(fā)模式。此處選擇Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式。在此模式下，發(fā)送與接收數(shù)據(jù)時(shí)，芯片自動(dòng)處理數(shù)據(jù)，節(jié)省編程空間。

（3）GSM模塊。

GSM模塊選擇SIM800A模塊，與控制器間采用串口通信。模塊供電電壓5 V。由于單片機(jī)的串口能夠承受5 V電壓，可將GSM模塊與單片機(jī)的串口直接相連。

GSM模塊主要功能是實(shí)現(xiàn)短消息報(bào)警。當(dāng)室內(nèi)安防系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警觸發(fā)信號(hào)時(shí)，GSM模塊會(huì)將報(bào)警信息以短消息的形式發(fā)送到指定的手機(jī)中。

（4）WiFi模塊。

GSM模塊本身可以向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)，但需要消耗流量，因此選用Wifi模塊向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)。WiFi模塊選擇ESP8266，默認(rèn)波特率是115 200。接入家里路由后，能夠?qū)崿F(xiàn)向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)。

（5）藍(lán)牙通信模塊。

藍(lán)牙通信模塊用于局域網(wǎng)絡(luò)通信。用戶處于家內(nèi)時(shí)可通過藍(lán)牙接入設(shè)備，監(jiān)控和無線操控室內(nèi)的燈具等開啟和關(guān)閉。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要介紹主機(jī)與從機(jī)通信協(xié)議。

表1中，主機(jī)向從機(jī)發(fā)送的信息包括設(shè)備的類型碼、設(shè)備地址碼以及控制字。從機(jī)接收到相應(yīng)的命令后，當(dāng)接收到的設(shè)備類型碼與地址碼與其本身的類型碼及地址碼相匹配時(shí)，將會(huì)按照預(yù)定義的控制字執(zhí)行相應(yīng)的操作。其他不匹配的從機(jī)不進(jìn)行操作。從機(jī)響應(yīng)主機(jī)的操作后，會(huì)將從機(jī)的類型碼、地址碼以及狀態(tài)字發(fā)送給主機(jī)。設(shè)備的類型碼定義如表2所示。

表2地址碼中的X代表同類型設(shè)備編號(hào)，X的取值為1～N。設(shè)備的控制字為01、02或03。其中01表示讀取信息，如溫度傳感器的數(shù)據(jù)。02表示燈光的開啟，03表示燈光的關(guān)閉。從機(jī)接收控制字為01時(shí)，向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)信息，接受到02或03時(shí)，對設(shè)備進(jìn)行控制，并發(fā)送設(shè)備狀態(tài)。

3 結(jié)語

在分析了當(dāng)前智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，該文以NRF24L01作為無線通信模塊，以主從通信方式進(jìn)行室內(nèi)電氣控制及環(huán)境監(jiān)控。以GSM模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程報(bào)警功能，藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)手機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)控制功能，并將室內(nèi)信息通過WiFi模塊發(fā)送到物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器。系統(tǒng)可靠性高，且增填設(shè)備方便，為智能家居系統(tǒng)的研發(fā)提供了一個(gè)可行的方案。

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