基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王卿斌

摘要：由于科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，“智能”漸漸融入到人們的生活當(dāng)中，從智能手機(jī)的誕生到現(xiàn)在智能家居的開發(fā)，智能產(chǎn)品在人們生活中越來(lái)重要。基于人們的需求，于是造就了智能產(chǎn)品廣闊的市場(chǎng)。智能家居的設(shè)計(jì)便具有了重要意義，一種好的設(shè)計(jì)思路就顯得尤為重要了。本文就模塊化設(shè)計(jì)思路在智能家居控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：智能家居；物聯(lián)網(wǎng)；以太網(wǎng)；RS-485；ARM；GPRS

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要分五個(gè)部分組成，供電部分：供電部分為智能家居控制系統(tǒng)室內(nèi)系統(tǒng)部分供電。系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信部分：系統(tǒng)遠(yuǎn)程通信部分主要是通過(guò)Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程控制家居設(shè)備。中央控制器：中央控制器是智能家居控制系統(tǒng)的核心部分，中央控制器接收由各個(gè)功能子模塊采集到的數(shù)據(jù)信息然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理分析，并根據(jù)分析的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的指令。功能子模塊：每個(gè)功能子模塊實(shí)現(xiàn)自己特定的功能。系統(tǒng)室內(nèi)通信部分：系統(tǒng)室內(nèi)通信部分主要是各功能子模塊與中央控制器之間的通信，選擇的無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)是ZigBee無(wú)線技術(shù)。

2各模塊的硬件設(shè)計(jì)

2.1STM32F407最小系統(tǒng)

STM32F407單片機(jī)是意法半導(dǎo)體有限公司生產(chǎn)的一款低功耗、基于ARM內(nèi)核的高性能32位微控制器，具有1MBFlash、192+4KbytesRAM、80個(gè)I/O接口線、看門狗定時(shí)器、3個(gè)ADC、2個(gè)DAC、串行接口、外存接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、以太網(wǎng)MAC、照相機(jī)接、CRC計(jì)算單元和模擬真隨機(jī)數(shù)發(fā)生器在內(nèi)的整套先進(jìn)外設(shè)。任何一個(gè)處理器都必須擁有一個(gè)最小系統(tǒng)才能正常工作，我們所設(shè)計(jì)的STM32F407最小系統(tǒng)包括一個(gè)25MHz晶振電路和一個(gè)PowerOnReset電路.

2.2網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中也充當(dāng)協(xié)調(diào)器的作用，主要負(fù)責(zé)無(wú)線數(shù)據(jù)的匯聚以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的連通。圖2為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件框圖，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由CC2530芯片、ARM芯片、電源和網(wǎng)卡模塊組成。內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)需要負(fù)責(zé)家庭局域網(wǎng)中無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建立并完成對(duì)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的融合和處理，通過(guò)CC2530片上系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)與終端節(jié)點(diǎn)之間的通信。外部網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)卡與家庭中的路由器互聯(lián)，使之接入互聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件較復(fù)雜，在網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)節(jié)作為因特網(wǎng)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的中介，承擔(dān)著重要的功能。本文用ARM系列處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)CC2530芯片與網(wǎng)卡之間的硬件連接，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。

2.3紅外測(cè)溫傳感器硬件設(shè)計(jì)

在廚房用煤氣灶燒水時(shí)由于離開廚房去做其它事情，往往會(huì)忘記正在燒水而引起事故，本設(shè)計(jì)中利用紅外線采集模塊實(shí)時(shí)采集水壺中水的溫度，當(dāng)水的溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，如果在一定的時(shí)間沒有人過(guò)來(lái)關(guān)閉燃?xì)庠?，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷燃?xì)庠畹娜細(xì)夤?yīng)。不僅僅是燒水，煲湯、蒸煮時(shí)可以根據(jù)不同的飯菜蒸煮的時(shí)間手動(dòng)設(shè)置好時(shí)間，時(shí)間到后系統(tǒng)同樣會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，如果一定時(shí)間內(nèi)沒有人來(lái)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷燃?xì)?。本設(shè)計(jì)中采用非接觸MLX90614紅外線測(cè)溫模塊進(jìn)行對(duì)水壺中水溫的測(cè)量.

2.4LCD模塊

LCD模塊采用的是1.44寸，分辨率為128×128，3/4線SPI接口TFT彩色液晶屏。LCD主要參數(shù)：顯示色彩為65K，分辨率是128×128，點(diǎn)距為0.1992（H）×0.207（V）（mm），顯示類型為全透型，背光燈顏色及類型：白色LED背光，背光LED驅(qū)動(dòng)電壓：15mA/3.2V，顯示屏的外形尺寸為33.26×38.00×2.60mm，可視面積：27.10×28.64mm，點(diǎn)陣區(qū)面積：25.50×26.50mm，使用壽命長(zhǎng)達(dá)100000h，屏幕工作溫度在-20攝氏度到70攝氏度之間，其響應(yīng)時(shí)間為0.1（ms）。LCD模塊通過(guò)PE10～PE15I/O口連接到單片機(jī).

2.5繼電器模塊

繼電器模塊使用的是1路10A光耦隔離繼電器模塊，繼電器輸出回路的常開接口最大負(fù)載為交流250V/10A或直流30V/10A；輸入回路與輸出回路采用貼片光耦隔離，因此驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)；輸入回路額定工作電壓為5V，觸發(fā)電流為5mA；模塊可以采用高電平觸發(fā)或低電平觸發(fā)。繼電器模塊本身包含了容錯(cuò)設(shè)計(jì)，控制端不發(fā)出信號(hào)更改指令，即使控制線斷，繼電器也不會(huì)改變當(dāng)前工作狀態(tài)；而且接口設(shè)計(jì)人性化，連接方便。繼電器模塊控制系統(tǒng)的接口有DC+（電源正極接口）、DC-（電源負(fù)極接口）、IN（信號(hào)觸發(fā)接口），被控制系統(tǒng)有NO（繼電器常開接口）、COM（繼電器公用接口）、NC（繼電器常閉接口）。單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)PB2I/O口控制繼電器.

2.6手機(jī)端設(shè)計(jì)

目前的手機(jī)絕大部分都已集成了4G網(wǎng)絡(luò)通信，可以很方便地使用4G網(wǎng)絡(luò)與家居網(wǎng)關(guān)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。本文基于Android系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行手機(jī)端的程序開發(fā)，目前Android系統(tǒng)在手機(jī)占有率中長(zhǎng)期保持第一，用戶廣泛且系統(tǒng)成熟穩(wěn)定，調(diào)用Android系統(tǒng)提供的庫(kù)函數(shù)可以比較容易地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)。手機(jī)端完成的功能主要是對(duì)物聯(lián)網(wǎng)家居中家用電器、電燈、窗簾等設(shè)施進(jìn)行控制，還要對(duì)家居的環(huán)境信息進(jìn)行顯示.

3軟件設(shè)計(jì)思路

軟件設(shè)計(jì)依據(jù)各個(gè)功能模塊進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。先設(shè)計(jì)一個(gè)主程序使單片機(jī)能正常工作，再將各功能模塊的程序?qū)懗勺映绦颍鞒绦蛲ㄟ^(guò)調(diào)用子程序使各功能模塊都能連接到單片機(jī)并正常工作.

4智能家居系統(tǒng)測(cè)試

前文對(duì)智能家居控制系統(tǒng)進(jìn)行了整體的設(shè)計(jì)，完成了各個(gè)模塊的軟硬件設(shè)計(jì)以及網(wǎng)絡(luò)鏈路的開發(fā)設(shè)計(jì)。本節(jié)則對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行了整體的運(yùn)行和測(cè)試。先測(cè)試家用電器等設(shè)備控制功能，將終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)運(yùn)行，組網(wǎng)完畢后，通過(guò)手機(jī)發(fā)送開關(guān)指令可以順利地實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的控制。然后測(cè)試了家居環(huán)境信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。系統(tǒng)能夠不斷地進(jìn)行家居環(huán)境的信息收集并在手機(jī)APP中顯示。測(cè)試的溫濕度、光照強(qiáng)度結(jié)果與室內(nèi)真實(shí)環(huán)境基本符合。測(cè)試中使用打火機(jī)中的正丁烷氣體，稍微按下.經(jīng)綜合測(cè)試，本系統(tǒng)能夠順利組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程控制以及監(jiān)測(cè)家居環(huán)境信息。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，具備一定的可用性和較強(qiáng)的可靠性。

本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，而且還有使用戶時(shí)時(shí)刻刻地獲取家居環(huán)境中的信息，并做到危情及時(shí)通知警報(bào)，創(chuàng)造了一個(gè)安全、舒適、高效率的家居生活。內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡(luò)與外部4G/GPRS等互聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，更是讓用戶隨時(shí)隨地對(duì)家居進(jìn)行控制。以后會(huì)接入更多的家用設(shè)備，并提高系統(tǒng)的兼容性，帶給人們更加愜意安全的生活.

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