基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)

孫月馳　李冠　平偉

摘要：

傳統(tǒng)家居環(huán)境普遍存在布線困難、建設(shè)及維護費用高昂、未實現(xiàn)實時監(jiān)控、接收報警信息不準確等問題，提出了一種針對基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以A8系列處理器與CC2530為核心，利用通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)，通過感知層的溫濕度、煙霧濃度、光照強度、紅外感應(yīng)等傳感器監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境信息；通過繼電器對室內(nèi)電器設(shè)備進行操控以調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境；協(xié)調(diào)器中轉(zhuǎn)傳送數(shù)據(jù)，根據(jù)多源信息進行協(xié)同分析，對異常事件進行智能信息判斷并執(zhí)行預定義聯(lián)動響應(yīng)，在客戶端實時顯示住宅內(nèi)環(huán)境變化并遠程控制。實際應(yīng)用顯示，該系統(tǒng)在系統(tǒng)部署、智能信息處理以及智能化控制方面具有較大的靈活性、良好的擴展性，能及時預警。

關(guān)鍵詞：

智能家居；智能信息處理；監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.172340

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A文章編號文章編號：16727800（2018）003014204

英文摘要Abstract：This paper presents a kind of intelligent home monitoring system based on the Internet of Things technology， which is difficult to solve the wiring， difficult to build and maintain， and can not be realtime to monitor and receive the alarm information is not accurate. The system uses the A8 series processor and CC2530 as the core， and uses the communication technology and the network interconnection technology to monitor the indoor environment information through the sensors such as temperature and humidity， smoke concentration， light intensity and infrared sensor. The relay is used to control the indoor electrical equipment adjust the indoor environment； coordinate transfer data transmission， according to multisource information for collaborative analysis， the abnormal events to determine the intelligent information and the implementation of predefined linkage response， and realtime display in the client residential environment changes and remote control. The practical application shows that the system has great flexibility， good expansibility and timely warning in system deployment， intelligent information processing and intelligent control.

英文關(guān)鍵詞Key Words：smart home； intelligent information processing； monitoring； Internet of Things

0引言

智能家居是以住宅為平臺，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動控制技術(shù)等，兼顧自動化和智能化為一體的高效、安全、便利的家居環(huán)境。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日趨成熟，智能家居設(shè)備受到廣泛關(guān)注。開發(fā)成本低、移動性強、擴展性更好的智能家居系統(tǒng)是當前亟需解決的問題[1]。

本文結(jié)合住宅的實際需求，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)包括4大功能模塊：信息采集模塊、信息傳輸模塊、信息處理模塊及信息反饋模塊，設(shè)計中各部分相對獨立，具有較高的可擴展性、可維護性和應(yīng)用性。本系統(tǒng)與傳統(tǒng)家居系統(tǒng)相比，規(guī)避了反復的架構(gòu)設(shè)計和產(chǎn)品研究，更大程度上減少了支出，具備低成本、高性能、高拓展性等特點。

1需求分析

大數(shù)據(jù)時代，智能家居以用戶需求為核心，以家庭、辦公等場所為使用平臺，配合家電、影音、燈光等智能產(chǎn)品，實現(xiàn)安防、監(jiān)控等功能，形成一個綜合、智能的系統(tǒng)，讓越來越多的用戶了解并使用智能家居產(chǎn)品，體驗并享受智能家居生活帶來的方便、高效與安全[2]。

1.1功能性需求

智能系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化功能能夠?qū)崿F(xiàn)家電（空調(diào)、熱水器等）控制、照明控制、室內(nèi)外遙控、窗簾自控、防盜報警、遠程控制、可編程定時控制及計算機控制等多種功能。智能家居控制系統(tǒng)操作方便、功能靈活、安裝便利，面向的用戶群體廣泛[3]。

1.2系統(tǒng)界面功能

1.2.1登錄界面

該模塊中，需要通過驗證正確的用戶名及密碼才能顯示登錄成功。

1.2.2注冊界面

需輸入正確的用戶名及驗證兩次密碼，方可完成注冊[4]。

1.2.3客廳界面

客廳界面包括溫度、CO2濃度、光照強度等參數(shù)采集傳感器，通過參數(shù)設(shè)定控制窗簾，調(diào)節(jié)室內(nèi)光照大小。根據(jù)房間的理想居住環(huán)境可以設(shè)置預警參數(shù)、查看歷史數(shù)據(jù)、報警信息等。

1.2.4主臥室界面

主臥室界面包括溫度、光照強度等參數(shù)采集傳感器，通過參數(shù)的設(shè)定控制室內(nèi)燈具開關(guān)，調(diào)節(jié)室內(nèi)光照大小。根據(jù)房間的理想居住環(huán)境可以設(shè)置預警參數(shù)、查看歷史數(shù)據(jù)、報警信息等。

1.2.5次臥室界面

次臥室界面包括溫度、CO2濃度、光照強度等參數(shù)的采集傳感器，通過參數(shù)設(shè)定控制室內(nèi)燈具開關(guān)，調(diào)節(jié)室內(nèi)光照大小，通過風扇調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。根據(jù)房間的理想居住環(huán)境可以設(shè)置預警參數(shù)、查看歷史數(shù)據(jù)、報警信息等。

1.2.6廚房界面

廚房界面包括溫度、CO2濃度、煙霧濃度、光照強度、火焰大小等參數(shù)采集傳感器，通過數(shù)據(jù)及時了解廚房情況。根據(jù)房間的理想居住環(huán)境可以設(shè)置預警參數(shù)、查看歷史數(shù)據(jù)、報警信息等。

1.2.7洗手間界面

洗手間界面包括溫度、CO2濃度、煙霧濃度、光照強度、火焰大小等參數(shù)采集傳感器，通過數(shù)據(jù)及時了解洗手間情況。根據(jù)該房間的理想居住環(huán)境可以設(shè)置預警參數(shù)、查看歷史數(shù)據(jù)、報警信息等情況。

1.2.8陽臺界面

陽臺界面包括溫度、CO2濃度、煙霧濃度、光照強度等參數(shù)采集傳感器，通過數(shù)據(jù)及時了解陽臺的情況。根據(jù)該房間的理想居住環(huán)境可以設(shè)置預警參數(shù)、查看歷史數(shù)據(jù)、報警信息等情況。

1.2.9預警記錄界面

預警記錄界面能夠查詢某個時間段、時間點的預警記錄，以及CO2濃度超過預設(shè)值的報警記錄，此外還可顯示報警記錄條數(shù)。

1.2.10預警配置界面

預警配置界面能夠?qū)Ω鱾€房間的所需參數(shù)進行設(shè)置。高出預設(shè)值，出現(xiàn)告警記錄并記錄在預警記錄界面，系統(tǒng)會根據(jù)具體情況進行預警處理。例如：系統(tǒng)會自動關(guān)閉燈具或拉上窗簾。

1.2.11參數(shù)歷史紀錄界面

參數(shù)歷史紀錄界面能夠查詢某個時間段、時間點的歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過折線圖的方式從數(shù)據(jù)庫中讀取，顯現(xiàn)房間參數(shù)的走向，根據(jù)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)室內(nèi)參數(shù)，使室內(nèi)環(huán)境更加宜人。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本方案主要利用山東微分電子科技有限公司所提供的平臺及各種傳感器，設(shè)計制作一款智能家居控制系統(tǒng)樣機。實驗樣機設(shè)計包括：裸機程序燒寫與調(diào)試，控制軟件編寫與調(diào)試。

2.1ZigBee協(xié)議架構(gòu)設(shè)計

協(xié)調(diào)器的作用是負責搭建網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及維護網(wǎng)絡(luò)。在協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)成功后，其網(wǎng)絡(luò)地址、簇ID、網(wǎng)絡(luò)編號以及傳輸通道等信息即確定下來，隨后協(xié)調(diào)器進入空閑狀態(tài)，等待其它節(jié)點加入。若接收到節(jié)點入網(wǎng)申請，則允許其加入網(wǎng)絡(luò)并分配網(wǎng)絡(luò)地址等信息。當加入網(wǎng)絡(luò)成功后，終端節(jié)點將進入應(yīng)用層處理函數(shù)[6]。

ZigBee終端節(jié)點程序依照每個節(jié)點實現(xiàn)的功能進行設(shè)計。例如CO2濃度采集終端節(jié)點，當接收到信息，首先對信息進行解析與判斷，若判斷出收到的命令為CO2濃度采集，則立即調(diào)用相應(yīng)的采集程序，然后將采集的信息進行處理，發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過A8網(wǎng)關(guān)發(fā)給服務(wù)器[7]。

ZigBee終端節(jié)點程序流程如圖1所示。

2.2設(shè)備類型及原理

2.2.1協(xié)調(diào)器（coordinator）

可以理解為網(wǎng)絡(luò)拓撲的發(fā)起者。一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)一個Zigbee協(xié)調(diào)器，首先協(xié)調(diào)器會選擇一個信道和網(wǎng)絡(luò)標識（PANID），再組建一個網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器在整個網(wǎng)絡(luò)中具有最高權(quán)限，它意味著網(wǎng)絡(luò)的開始，同時也是網(wǎng)絡(luò)的維護者[8]。

2.2.2路由器（router）

可以理解為網(wǎng)絡(luò)拓撲的拓展者。路由器支持并實現(xiàn)其它節(jié)點的消息轉(zhuǎn)發(fā)功能。

2.2.3終端（end）

Zigbee終端節(jié)點不能轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點消息，是一種用來執(zhí)行數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)脑O(shè)備。終端依靠與協(xié)調(diào)器或路由器相連接構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的多個傳感器節(jié)點組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過無線通信方式形成多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)[9]。ZigBee在目前無線傳感網(wǎng)中使用較多，具有近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、高可靠性等特點。

基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，大多數(shù)情況下采用星型、樹型、網(wǎng)狀、對等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)[10]。

星型拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3硬件部分

網(wǎng)關(guān)、協(xié)調(diào)器、溫濕度傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器、CO2濃度傳感器、繼電器以及電動機驅(qū)動模塊、LCD顯示器這8大部分構(gòu)成了系統(tǒng)硬件部分。對于溫度傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器、CO2濃度傳感器，通過讀取它們的狀態(tài)進行相應(yīng)數(shù)據(jù)的采集。ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)采集傳感器數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)匯聚至網(wǎng)關(guān)，通過移動網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至服務(wù)器上，監(jiān)控人員通過移動端與瀏覽器端查看各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，借助上位機軟件向傳感器節(jié)點發(fā)布指令，實現(xiàn)對傳感器節(jié)點的控制[5]。

2.4PC機軟件部分

利用PC機軟件設(shè)計登錄界面、主界面、客廳界面、主臥室界面、次臥室界面、廚房界面、洗手間界面、預警配置界面、預警記錄界面等，通過軟件實現(xiàn)各模塊功能，系統(tǒng)功能如圖3所示。

3系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1微信公眾平臺實現(xiàn)

個人微信公眾平臺：系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)通過無線通信，接收傳感器采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，比如溫度值“26”，然后向服務(wù)器提交請求，請求中包括傳感器ID、密碼、提交的數(shù)據(jù)等參數(shù)。服務(wù)器核實后，把傳遞上來的值寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。當用戶需要這些數(shù)據(jù)時，通過微信發(fā)送命令，比如“主臥室溫度”，后臺服務(wù)器判斷后，從數(shù)據(jù)庫中查詢相應(yīng)的傳感器記錄，提取傳感數(shù)據(jù)，通過預設(shè)的反饋消息格式反饋到用戶端。

本系統(tǒng)用戶可以使用PC機或智能手機，通過網(wǎng)線或WiFi，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)對各傳感器進行數(shù)據(jù)的收集或監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2Web客戶端實現(xiàn)

智能家居控制系統(tǒng)為一個合理利用計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、即時通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)，以及與家居生活有關(guān)聯(lián)的各種子系統(tǒng)高效地結(jié)合在一起，通過合理分配、統(tǒng)籌管理，使家居生活變得更加有序、便利的平臺。系統(tǒng)主界面如圖5所示。

3.3模塊功能實現(xiàn)主要代碼

系統(tǒng)配置如下：

硬件環(huán)境： CPU： Intel Core i5-2450M ；硬盤：10G及以上；內(nèi)存：256M及以上。

軟件環(huán)境：SQL Server2000+Sp3或SQL Server2005以上數(shù)據(jù)庫；應(yīng)用性軟件：C#；操作系統(tǒng)：Windows XP及以上。

3.3.1系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時間間隔實現(xiàn)

住宅環(huán)境信息采集數(shù)據(jù)時間間隔實現(xiàn)代碼：

System.Timers.Timer t = new System.Timers.Timer（3000）；//實例化Timer類，設(shè)置間隔時間為10000毫秒；

t.Elapsed += new System.Timers.ElapsedEventHandler（theout）； //到達時間的時候執(zhí)行事件；

t.AutoReset = true；//設(shè)置是執(zhí)行一次（false）還是一直執(zhí)行（true）；

t.Enabled = true；//是否執(zhí)行System.Timers.Timer.Elapsed事件；

3.3.2自動調(diào)節(jié)光照強度實現(xiàn)

系統(tǒng)實現(xiàn)對燈具的自動開關(guān)，自動調(diào)節(jié)室內(nèi)光照強度，主要代碼如下：

public void theout（object source， System.Timers.ElapsedEventArgs e）

{

loadinfo（）；

if （Convert.ToInt32（numAlarmLightLess.Value） > Convert.ToInt32（textBox1.Text））

{

string[] 開燈 = sm.getOrSetSwitch（"192.168.1.230"，"51000"， "101"， ""， ""， ""， "3"， "1"）；

}

else

{

string[] 關(guān)燈 = sm.getOrSetSwitch（"192.168.1.230"，"51000"， "101"， ""， ""， ""， "3"， "0"）；

}

3.3.3光照強度數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)

系統(tǒng)對光照強度實現(xiàn)自動采集，主要代碼如下：

public void loadinfo（）

{

SensorMicrosec sm = new SensorMicrosec（）；

string[] 光照強度 = sm.getLight（"192.168.1.230"，"51000"， "3"， ""， ""， ""）；

if （光照強度[0] == "success"）

{

textBox1.Text = 光照強度[1]；

}

}

4結(jié)語

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建的智能家居監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了Web客戶端及智能手機微信公眾平臺相結(jié)合，組成了完善的多平臺智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。通過不斷地實時監(jiān)測和運行，該系統(tǒng)能夠保證實現(xiàn)自身功能，并提供良好的智能家居服務(wù)。完成注冊后用戶可以用手機移動端或電腦端訪問該系統(tǒng)，實時掌握家居環(huán)境動態(tài)。可通過客戶端對該系統(tǒng)發(fā)布指令進行控制，從而實現(xiàn)多平臺的人機交互。智能家居監(jiān)控系統(tǒng)布線簡單、功能穩(wěn)定可靠，既能滿足傳統(tǒng)的家具生活，又能體驗到網(wǎng)絡(luò)化帶來的高品位生活，實用價值高[1]。

參考文獻參考文獻：

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責任編輯（責任編輯：杜能鋼）