基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧家庭系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張立勛　杜選　黃淳嵐

摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對能提供便捷生活方式的智能家居有著越來越高的要求。為此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了智慧家庭系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用多種無線傳感器，對家居環(huán)境數(shù)據(jù)采集、分析，并可通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遠(yuǎn)程控制室內(nèi)的相應(yīng)器件，提高家居生活的舒適度和安全性，確保健康環(huán)保的家居環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了家庭智慧化。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧家庭；健康家居；智能感知；ZigBee

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）19-0306-03

1 引言

隨著工信部《物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃（2016-2020）》和《中國制造2025》等各種戰(zhàn)略規(guī)劃的提出，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展在我國已成為技術(shù)及產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的重點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大范圍推廣應(yīng)用將是必然的趨勢。

近年來，IT行業(yè)逐漸與其他行業(yè)不斷融合，推動各行業(yè)向智能化方向發(fā)展?，F(xiàn)階段在物聯(lián)網(wǎng)的推動下，智慧城市、智慧醫(yī)療、智慧養(yǎng)老等各種智慧化服務(wù)模式不斷涌現(xiàn)，智慧化信息服務(wù)走進(jìn)家庭的趨勢將勢不可擋，智慧家庭的推進(jìn)和發(fā)展是不可避免的。

智慧家庭綜合了互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算處理、網(wǎng)絡(luò)通信、感應(yīng)與控制等技術(shù)，與新能源、文化創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)等并列為戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的無線智能家居產(chǎn)業(yè)，有著巨大的市場前景。

2 需求分析

為了提高家居生活的智能化，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了智慧家庭系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為三個模塊：實(shí)時數(shù)據(jù)顯示模塊、聯(lián)動控制模塊、執(zhí)行控制模塊。系統(tǒng)功能模塊圖如圖1所示：

智慧家庭系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1） 實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部信息在各種終端的快速信息共享。如在PC、APP之間的數(shù)據(jù)共享。

（2） 通過家庭網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程終端對各種家用電器的控制、調(diào)節(jié)和檢測，比如對空調(diào)、燈具、電動窗簾、溫度和濕度控制器、風(fēng)量調(diào)節(jié)器等的控制。

（3） 實(shí)現(xiàn)有害氣體檢測、防盜報(bào)警、煙霧自動探測并自動報(bào)警，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶手機(jī)或小區(qū)管理中心。

（4） 通過家里的攝像頭，利用家庭網(wǎng)關(guān)作為視頻服務(wù)器，用戶在遠(yuǎn)端通過internet可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控家庭安全。

3 總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

智慧家庭系統(tǒng)從傳輸過程上分為無線傳感節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和客戶端（Android和Web）三部分。系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)如圖2所示：

（1） 傳感器節(jié)點(diǎn)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)器進(jìn)行組網(wǎng)；協(xié)調(diào)器通過串口與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信

（2） 底層節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)服務(wù)；通過實(shí)時數(shù)據(jù)推送服務(wù)將數(shù)據(jù)推送給所有連接網(wǎng)關(guān)的客戶端；通過歷史數(shù)據(jù)存儲服務(wù)將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)中心。

（3） Android應(yīng)用程序通過調(diào)用ZCloud SDK（智云平臺） API的實(shí)時數(shù)據(jù)連接接口實(shí)現(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)的采集。

3.2客戶端界面設(shè)計(jì)

客戶端界面如圖3所示，智慧家庭網(wǎng)頁版主要包括上部的頁眉和下面的主體兩個主要部分。其中頁眉里面展示的是智慧家庭的提示以及本系統(tǒng)所使用的一些主要的傳感器，以及是否連接到服務(wù)器的狀態(tài)提示。主體部分是傳感器采集到的家居環(huán)境的狀態(tài)數(shù)據(jù)以及一些控制開關(guān)，用戶可以打開或關(guān)閉自動數(shù)據(jù)采集、報(bào)警功能。

3.3數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用，數(shù)據(jù)傳輸，并且保證一定的精度，可以使系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)更加準(zhǔn)確的做出判斷。具體傳感器及其相應(yīng)的參數(shù)如表1所示：

通過以上數(shù)據(jù)可以知道不同傳感器對應(yīng)的不同參數(shù)以及相應(yīng)的權(quán)限，為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可操作性做好規(guī)劃。

4 詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 傳感器硬件設(shè)計(jì)

智慧家庭系統(tǒng)中采用了以下幾種傳感器：可燃?xì)怏w傳感器、溫濕度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器、聲光報(bào)警傳感器、繼電器、步進(jìn)電機(jī)傳感器。下面以空氣質(zhì)量傳感器為例介紹無線傳感器的工作原理。

空氣質(zhì)量傳感器的工作原理：當(dāng)空氣中存在污染氣體時，傳感器的電導(dǎo)率會隨之改變，用簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號，并圖中的ADC口連接到CC2530的P0_1口，CC2530是通過ADC來讀取空氣質(zhì)量傳感器的輸出的值，當(dāng)檢測到空氣質(zhì)量有變化時，ADC轉(zhuǎn)換的值會發(fā)生變化。

系統(tǒng)中的其他傳感器與空氣質(zhì)量傳感器的硬件設(shè)計(jì)思路相似，由于篇幅有限不再贅述。

4.2 無線節(jié)點(diǎn)工作流程設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的CC2530 無線節(jié)點(diǎn)采用 TI 公司的 CC2530 ZigBee 處理器，運(yùn)行 ZStack 協(xié)議棧，它為 CC2530 節(jié)點(diǎn)提供基于 OSAL 操作系統(tǒng)的無線自組網(wǎng)功能。無線節(jié)點(diǎn)流程圖如圖5所示。

4.3 Android客戶端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的Android工程框架如表2所示。

5 結(jié)語

本文主要是設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)智慧化家庭服務(wù)系統(tǒng)平臺，其中包括系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架和開發(fā)此系統(tǒng)所需的關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)主要分為實(shí)時數(shù)據(jù)顯示、聯(lián)動控制和執(zhí)行控制三個模塊，通過這三個模塊，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各類環(huán)境參數(shù)，在移動終端和web平臺實(shí)時顯示，供用戶查看，監(jiān)控家庭安全；將多類傳感器聯(lián)動控制，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整環(huán)境變量，確保家庭安全；由web平臺和移動終端遠(yuǎn)程操控智能控件，確保便捷、舒適的家居環(huán)境。該系統(tǒng)現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問控制、電機(jī)控制、聲光報(bào)警、繼電器的操控、可燃?xì)怏w濃度檢測、溫濕度和空氣質(zhì)量檢測等功能。

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