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

陳迪+李澤龍

摘要：采用物聯(lián)網(wǎng)的思維，利用嵌入式系統(tǒng)搭建處理核心，直接連接電器或者通過供電插座來收集合個(gè)電器的信息，通過總線控制對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一的管理和控制。實(shí)現(xiàn)家居的智能化。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)智能家居；嵌入式；單片機(jī)；家居系統(tǒng)

Abstract： the Internet of things of thinking， the use of embedded system structures， processing core， the connections for electrical appliances directly or through a power supply socket to collect information appliances， through the bus control for unified management and control of the whole system. Realize the intelligence of household.

Key words iot smart home embedded single chip computer home system

前言：

隨著人們對(duì)生活質(zhì)量的要求也不斷提高，在日常生活中，智能家電過于獨(dú)立，無(wú)法對(duì)家庭電網(wǎng)進(jìn)行集中控制。所以在安全、節(jié)能方面難以進(jìn)行有效把控。對(duì)于智能化的又一要求就是智能化遠(yuǎn)程控制。所以現(xiàn)代智能家居急需解決的問題有如下幾點(diǎn)：

1.安全方面：

家用用電安全方面有：（1）漏電短路（2）電器使用不當(dāng)（3）電器自身意行外故障（4）意外接觸。

不同的故障有不同的解決方法，智能家居系統(tǒng)應(yīng)該及時(shí)分辨故障類型，并能及時(shí)進(jìn)行處理。

2.節(jié)能方面：

在不影響正常生活的情況下，節(jié)能也是智能家居的特點(diǎn)，節(jié)能型智能家居，可以增加電器壽命，通過自動(dòng)判別環(huán)境進(jìn)行電器開關(guān)，使生活更方便，智能家居節(jié)能的實(shí)現(xiàn)有兩種途徑：（1）控制電器開關(guān)（2）控制電器功率

3.可遠(yuǎn)程操控：

雖然傳統(tǒng)家居電器具備自動(dòng)開始工作的功能，例如可以定時(shí)開關(guān)的電飯鍋，電磁爐等，但是對(duì)于突發(fā)事件，傳統(tǒng)家居電器不能自動(dòng)更改設(shè)定，因此，對(duì)電器中個(gè)別器件進(jìn)行開放權(quán)限設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控的功能，可解決上述問題。

4.遠(yuǎn)程監(jiān)控：

盡管現(xiàn)代有許多家庭中安裝有簡(jiǎn)單的監(jiān)控設(shè)施，但風(fēng)險(xiǎn)較大，通信安全性極差。因此，在安全的狀態(tài)下進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控需要對(duì)家中監(jiān)控設(shè)施的安全通道進(jìn)行加密，并且按需發(fā)送數(shù)據(jù)，使遠(yuǎn)程監(jiān)控功能安全、可靠。

1實(shí)施方案

1.硬件電路[1]：以整個(gè)家居環(huán)境作為大系統(tǒng)，進(jìn)行電路搭建，總線可分為插頭系統(tǒng)，暗線系統(tǒng)，照明系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，監(jiān)管系統(tǒng)和備用電源。系統(tǒng)的運(yùn)行信息和來自各個(gè)傳感器的家居環(huán)境信息均通過信號(hào)線連接核心處理器。

首先是插頭系統(tǒng)，插頭系統(tǒng)為所有外接電源電器提供供電，可以通過控制系統(tǒng)控制對(duì)電器的供電可以控制電器的開關(guān)或使用功率；暗線電路為一些不需要控制的電路；照明電路為整個(gè)家居環(huán)境的照明系統(tǒng)，負(fù)責(zé)照明，開關(guān)由系統(tǒng)控制或手動(dòng)控制，其中手動(dòng)控制權(quán)限最高；并且照明系統(tǒng)與備用電源相連，在緊急情況的停電下可使用備用電源供電并降低照明系統(tǒng)的功率以保證長(zhǎng)時(shí)間照明；監(jiān)管系統(tǒng)由檢測(cè)部分和監(jiān)測(cè)部分構(gòu)成，檢測(cè)部分主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)，如插頭系統(tǒng)異常（短路或功率異常），暗線電路異常，控制系統(tǒng)故障，以及備用電源的檢測(cè)，監(jiān)測(cè)部分則是攝像頭，人體傳感器，氣體傳感器，溫度傳感器等傳感器組；控制系統(tǒng)則負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制與數(shù)據(jù)處理，采用雙單片機(jī)冗余控制，主芯片為STM32F407，副芯片為STM32F103[2]，采用嵌入式編程，當(dāng)一個(gè)芯片出現(xiàn)問題時(shí)，另一個(gè)芯片可以及時(shí)接管；備用電源屬于緊急用電，在斷電的環(huán)境下仍然能保持小功率設(shè)備正常運(yùn)行，它受監(jiān)管系統(tǒng)監(jiān)管，由監(jiān)管系統(tǒng)控制它定時(shí)充放電，以保證電池活性，同時(shí)監(jiān)控電池性能。

2.家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)：為了使控制的更精準(zhǔn)，更智能，可以將整個(gè)家居環(huán)境進(jìn)行模式分類，如果要求更為精確，還可使用子模式。為了方便，在本文中只模擬三種場(chǎng)景：白天模式，夜晚模式，離家模式。（對(duì)于被控制目標(biāo)，由于篇幅所限，本文只選取照明系統(tǒng)，其他系統(tǒng)原理相同）白天模式與夜晚模式由內(nèi)置時(shí)鐘與安裝在戶外的光照傳感器共同確定；在白天模式下，采光好的房間燈光功率降低或者長(zhǎng)滅，采光較差的不受影響，夜晚模式下燈光均正常，并在固定時(shí)間自動(dòng)關(guān)閉。離家模式由用戶確定，在離開前手動(dòng)設(shè)置模式，并在主門關(guān)閉后啟動(dòng)；整個(gè)系統(tǒng)將進(jìn)入一個(gè)防盜環(huán)境，在檢測(cè)到有人進(jìn)入室內(nèi)并且沒有得到確認(rèn)，便自動(dòng)向綁定手機(jī)發(fā)送消息。

3.嵌入式系統(tǒng)[3]：我們此次選擇μC/OS III作為家居系統(tǒng)的核心處理系統(tǒng)。

我們把μC/OS III的任務(wù)分為五種，分別為（1）休眠態(tài)：任務(wù)已經(jīng)在CPU的flash中了，但是還不受μC/OS III管理（2）就緒態(tài)：系統(tǒng)為任務(wù)分配了任務(wù)控制塊，并且任務(wù)已經(jīng)在就緒表中登記，這時(shí)這個(gè)任務(wù)就具有了運(yùn)行的條件，此時(shí)任務(wù)的狀態(tài)就是就緒態(tài)（3）運(yùn)行態(tài)：任務(wù)獲得CPU的使用權(quán)，正在運(yùn)行。（4）等待態(tài)：正在運(yùn)行的任務(wù)需要等待一段時(shí)間，或者等待某個(gè)事件，這個(gè)任務(wù)就進(jìn)入了等待態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)就會(huì)把CPU使用權(quán)轉(zhuǎn)交給別的任務(wù)。（5）中斷服務(wù)態(tài)：當(dāng)發(fā)送中斷，當(dāng)前正在運(yùn)行的任務(wù)會(huì)被掛起，CPU轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)函數(shù)，此時(shí)任務(wù)的任務(wù)狀態(tài)叫做中斷服務(wù)態(tài)。

基于以上平臺(tái)，組織物聯(lián)網(wǎng)家居系統(tǒng)，流程如圖2所示。首先連接核心電路，將整個(gè)傳感器組分類連接入單片機(jī)接口，然后搭建μC/OS III 系統(tǒng)，接下來結(jié)合之前確定的家居系統(tǒng)模式：白天模式，夜晚模式，離家模式，進(jìn)行預(yù)編譯定義，并且寫入每個(gè)控制函數(shù)中，這樣在執(zhí)行控制函數(shù)前會(huì)進(jìn)行模式判斷，根據(jù)不同的判斷進(jìn)行不同的控制，例如照明控制電路，在亮燈前對(duì)模式進(jìn)行判斷，若為白天模式，則根據(jù)光照傳感器調(diào)整光照強(qiáng)度，若為夜晚模式則正常亮燈，如果離家模式則不會(huì)啟動(dòng)。編寫控制函數(shù)時(shí)將函數(shù)寫入嵌入式系統(tǒng)提供的子函數(shù)中，檢測(cè)中斷函數(shù)是一些檢測(cè)系統(tǒng)的處理函數(shù)，檢測(cè)到家中有異常時(shí)會(huì)進(jìn)行判斷，如果處于離家模式則會(huì)通過無(wú)線傳輸通知用戶；而輪詢系統(tǒng)則是負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身的運(yùn)行，如果發(fā)生系統(tǒng)異常則通知副核心，通過副核心發(fā)出損壞信號(hào)；值得注意的是日志記錄系統(tǒng)，它是整個(gè)系統(tǒng)的記錄系統(tǒng)，由于單片機(jī)本身內(nèi)存極小，所以日志系統(tǒng)通過操作內(nèi)存卡進(jìn)行儲(chǔ)存系統(tǒng)運(yùn)行信息，在系統(tǒng)出錯(cuò)后可通過它查詢問題。最后程序完成后需要在開發(fā)板和實(shí)物連接測(cè)試。

2存在問題

在物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)是基于程序運(yùn)轉(zhuǎn)的，所以對(duì)代碼的長(zhǎng)期維護(hù)是非常重要的，只有不斷的在實(shí)際運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤改正錯(cuò)誤，才能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不斷的完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]（美）Albert Malvino；David J. Bates.電子電路原理（原書第7版） [M]. 機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2]（英）姚文祥.ARM Cortex M3權(quán)威指南（第三版） [M].清華大學(xué)出版社，2015.

[3]朱珍民.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-III[M].北京郵電出版社，2006