智慧家居環(huán)境物聯(lián)系統(tǒng)

西安文理學(xué)院 張盼盼 馬宗保 趙士俊 葉晨霏

本項(xiàng)目是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如何更好的服務(wù)于人們的家居生活，這是一個(gè)應(yīng)用前景廣泛，極具社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的研究方向，本方案主要設(shè)計(jì)基于家居環(huán)境多檢測(cè)點(diǎn)的規(guī)劃，從而為家居生活提供從溫度、濕度、凈化、清潔、視聽(tīng)影音等的個(gè)人智慧管家服務(wù)的設(shè)計(jì)。為智慧家居提供一套解決方案，不斷優(yōu)化家居環(huán)境的舒適與服務(wù)，從而改善人們的家居生活。

1 項(xiàng)目背景

1.1 智慧家居

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，也伴隨著人類(lèi)生活水平的提高，人們對(duì)生活環(huán)境的要求也成為一個(gè)重要領(lǐng)域，"智能"的概念也促使AT工作者將其引入智慧家居應(yīng)用的各種生活環(huán)境中。隨著計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，智慧家居的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)會(huì)得到了大力宣傳。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的興起，眾多智慧家居企業(yè)得到支持和優(yōu)化，用戶的個(gè)性化選擇可以最大化。與此同時(shí)，技術(shù)要求也在不斷提高。在各種大服務(wù)的多點(diǎn)陪襯下，全屋智能化必將成為當(dāng)代潮流。

隨著現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)的不斷完善，智慧家居企業(yè)生產(chǎn)的各種智能產(chǎn)品也越來(lái)越多。智慧家居產(chǎn)業(yè)是近年來(lái)的一個(gè)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，由于5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)能夠支持不同智能終端設(shè)備的互聯(lián)互接，包含了大量的智能終端設(shè)備互聯(lián)應(yīng)用領(lǐng)域，這將極大地幫助推動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)智慧家居的快速發(fā)展。目前，行業(yè)產(chǎn)品整體應(yīng)用市場(chǎng)銷(xiāo)售規(guī)模繼續(xù)呈上升增長(zhǎng)趨勢(shì)。預(yù)計(jì)5G商業(yè)化后，智慧家居將迎來(lái)更大的發(fā)展空間。

1.2 智慧家居的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

智慧家居系統(tǒng)是我國(guó)智慧家居安全控制管理系統(tǒng)的技術(shù)核心，它對(duì)應(yīng)著智慧家居的“心臟”。該監(jiān)控系統(tǒng)用戶可以通過(guò)手機(jī)短信實(shí)時(shí)控制發(fā)送家庭用戶通信指令和系統(tǒng)操作，將通信控制器發(fā)送信息到家庭用戶的智能手機(jī)上，家庭通信總線可以連接到各個(gè)家庭網(wǎng)絡(luò)中的子系統(tǒng)，完成家庭智慧家居中各控制器子系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接及其組成。智慧家居中的網(wǎng)絡(luò)總線通信系統(tǒng)有著許多種形式，可以通過(guò)使用不同的總線傳輸網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)用來(lái)傳輸網(wǎng)絡(luò)通信中的信號(hào)，如電話線、雙絞線、電力線和無(wú)線模式。

2 系統(tǒng)需求分析及方案

智慧家居系統(tǒng)控制軟件系統(tǒng)以各種智慧家居控制系統(tǒng)軟件為主要控制平臺(tái)，以各種智慧家居控制設(shè)備軟件為主要控制系統(tǒng)對(duì)象。借助自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)、通用有線電纜監(jiān)控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)通信監(jiān)控技術(shù)、安防監(jiān)控技術(shù)、自動(dòng)控制系統(tǒng)技術(shù)、音視頻監(jiān)控技術(shù)，整合現(xiàn)代家庭管理設(shè)施，構(gòu)建高效的現(xiàn)代家庭管理系統(tǒng)和計(jì)劃生育家庭管理服務(wù)系統(tǒng)，提高現(xiàn)代家庭管理智能化、安全化，舒服又舒服。智慧家居安全控制管理系統(tǒng)安全是現(xiàn)代智慧家居的技術(shù)核心，是完全實(shí)現(xiàn)所有智慧家居安全控制系統(tǒng)功能的重要關(guān)鍵。

2.1 應(yīng)用程序功能需求分析

整個(gè)系統(tǒng)由通信模塊、視頻采集模塊和傳感器模塊組成。ZigBee技術(shù)對(duì)無(wú)線傳感器模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行判斷。當(dāng)信息不正常時(shí)，通過(guò)蜂鳴器或LED燈進(jìn)行告警，并通過(guò)GSM模塊將告警信息發(fā)送給用戶。同時(shí)，用戶們還可以根據(jù)自己個(gè)人使用需要，也可以發(fā)送手機(jī)短信信息來(lái)直接控制系統(tǒng)相應(yīng)的家用電器。

2.2 開(kāi)發(fā)環(huán)境需求分析

2.2.1 軟件開(kāi)發(fā)需求

（1）智慧燈光控制系統(tǒng)（圖1）

圖1 智慧燈光控制系統(tǒng)

智慧家具軟件的照明控制采用了大量的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是目前家庭生活中提供的最完整、最全面的控制系統(tǒng)。簡(jiǎn)潔明了的觸摸屏界面省去了安裝在墻上的各類(lèi)控制面板和暗場(chǎng)，使墻面干凈簡(jiǎn)潔。同時(shí)，它可以讓你避免在不同房間、區(qū)域甚至樓層的電燈開(kāi)關(guān)之間奔跑。所有這些都可以通過(guò)在觸摸屏面板上的一次點(diǎn)擊來(lái)完成。

（2）智慧家電控制系統(tǒng)（圖2）

圖2 智慧家電控制系統(tǒng)

智慧家居控制系統(tǒng)是采用現(xiàn)代數(shù)字智能技術(shù)開(kāi)發(fā)的家居應(yīng)用控制產(chǎn)品。它可以通過(guò)智能開(kāi)關(guān)和無(wú)線智能設(shè)備在家里的任何地方進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。通過(guò)總線式紅外學(xué)習(xí)裝置，可以學(xué)習(xí)家用電器的紅外信號(hào)，將家用電器的功能集成到家用中央控制系統(tǒng)中，使其具有與其他系統(tǒng)連接的功能效果，控制模塊控制家用電器的切換效果。

（3）智慧家庭安防系統(tǒng)（圖3）

圖3 智慧家庭安防系統(tǒng)

家庭安防系統(tǒng)是每個(gè)用戶著重考慮的關(guān)鍵系統(tǒng)，所以有必要安心地解讀安防在智慧家居日常生活中的體現(xiàn)。系統(tǒng)可以接收傳感器產(chǎn)生的告警信號(hào)，觸發(fā)記錄事件，向其他I/O設(shè)備發(fā)送聯(lián)動(dòng)信號(hào)（觸發(fā)告警等）。家庭安防系統(tǒng)提供以下工作方式：用戶可以在本機(jī)設(shè)置/解除家庭報(bào)警系統(tǒng)，也可以通過(guò)電話設(shè)置家庭報(bào)警系統(tǒng)。防護(hù)模式分為家居設(shè)防模式和家居設(shè)防模式。

2.2.2 硬件開(kāi)發(fā)需求

（1）硬件配置原則

在具有能夠充分滿足系統(tǒng)軟件應(yīng)用性能需求的技術(shù)基本前提下，不僅具有硬件性能的可靠性和可用性還具有安全性，并且同時(shí)具有完善的硬件應(yīng)用技術(shù)支持，能夠有效率地滿足制造軟件家居舒適的專(zhuān)業(yè)工作生活環(huán)境和滿足專(zhuān)業(yè)軟件設(shè)計(jì)師的技術(shù)需求。

（2）行本軟件所需的硬件資源

CPU：800M及以上；內(nèi)存容量：內(nèi)存達(dá)256M以上。

本系統(tǒng)采用傳感器模塊、ZigBee模塊以及GSM模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理七合一集成氣體質(zhì)量檢測(cè)儀傳感器CJ-702-485、電動(dòng)窗簾、智能空調(diào)、智能照明燈等智慧家居設(shè)備。

3 總體設(shè)計(jì)分析

物聯(lián)網(wǎng)智慧家居中心為了建立協(xié)調(diào)各種子系統(tǒng)和非家電互聯(lián)網(wǎng)的子系統(tǒng)的互聯(lián)互通，必須配備有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)兼容性強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)接收和分析處理家電控制器進(jìn)行傳輸?shù)南嚓P(guān)信息，然后將這些信號(hào)進(jìn)行傳輸提供給家電或其他被系統(tǒng)控制的互聯(lián)子系統(tǒng)。中央處理控制平臺(tái)的核心功能主要是對(duì)基于智慧家居以及局域網(wǎng)的智能家庭和電子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的各種網(wǎng)絡(luò)信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行自動(dòng)控制和管理規(guī)劃。這可以使您完全能夠通過(guò)一個(gè)手持帶有無(wú)線電話或遙控器的設(shè)備與整個(gè)家庭的電子系統(tǒng)快速進(jìn)行通信。主要有三個(gè)模塊：傳感器CJ-702-485模塊、嵌入式服務(wù)器終端模塊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊等設(shè)備。

3.1 傳感器CJ-702-485模塊設(shè)計(jì)

傳感器CJ-702-485是一款性價(jià)比高的數(shù)字串行輸出傳感器模塊，同時(shí)采用串行TTL電平兩種輸出方式，集CO2、甲醛、OVC、激光PM2.5、PM10、溫濕度于一體。它可以實(shí)時(shí)全面的檢測(cè)環(huán)境，穩(wěn)定性好，具有防止電源反向連接的功能，非常方便客戶使用。

3.2 嵌入式服務(wù)器終端模塊設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器應(yīng)用終端網(wǎng)絡(luò)模塊的核心硬件主要由一個(gè)中央網(wǎng)絡(luò)控制處理模塊、gsm網(wǎng)絡(luò)模塊和zigbee三個(gè)網(wǎng)絡(luò)處理模塊部分組成，中央處理控制器為一個(gè)單片機(jī)，是系統(tǒng)的一個(gè)核心部件。除了最小系統(tǒng)的必要數(shù)據(jù)時(shí)間跨度外，串行數(shù)據(jù)端口還通過(guò)它的rs232電路與它的mc703模塊進(jìn)行通信。MCU的p0端口連接到監(jiān)視器，P1端口連接到鍵盤(pán)。P2連接到不同的控制器和傳感器。GSM模塊接管華為mc703模塊，串行構(gòu)造線為115200bps。zigbee云網(wǎng)絡(luò)安全模塊可以允許網(wǎng)絡(luò)用戶輕松使用各種云的移動(dòng)、智能終端設(shè)備，輕松安全控制基于云的zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和高速、安全、可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿糠N產(chǎn)品。

3.3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊

該控制系統(tǒng)主要采用了arm11s3c6410控制核心芯片模塊作為數(shù)據(jù)核心處理控制器，完成室內(nèi)所有的控制數(shù)據(jù)處理，包括自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和自動(dòng)控制執(zhí)行命令。它已經(jīng)是目前全智能智慧家居自動(dòng)控制的技術(shù)核心。家庭控制中心數(shù)據(jù)監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件采用基于linux的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心可以自動(dòng)獨(dú)立運(yùn)行和實(shí)時(shí)處理，任何家庭控制設(shè)備終端都同樣可以通過(guò)控制進(jìn)行串口數(shù)據(jù)管理和連接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。

4 測(cè)試與結(jié)論

4.1 測(cè)試方案

該控制系統(tǒng)主要由傳感器接口模塊、zigbee模塊和gsm模塊三部分組成。當(dāng)整個(gè)供電系統(tǒng)基本上不斷電時(shí)，設(shè)置引導(dǎo)，啟動(dòng)系統(tǒng)。攝像頭中所獲取的圖像和當(dāng)前氣體溫度的數(shù)值將自動(dòng)分別顯示出來(lái)在一個(gè)液晶屏上。系統(tǒng)已自動(dòng)設(shè)置上、下定時(shí)溫度設(shè)定值。當(dāng)一個(gè)用戶以某種特定方式隨意改變溫度傳感器測(cè)量值時(shí)，只要溫度超過(guò)上、下限值，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)調(diào)整到合適的溫度環(huán)境。

4.2 結(jié)論

經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，得出以下結(jié)論。借助GSM網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和ZigBee無(wú)線傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家電產(chǎn)品的遠(yuǎn)程監(jiān)控，系統(tǒng)利用了GSM網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫靈活的功能、廣覆蓋和短信服務(wù)，讓用戶隨時(shí)隨地了解家居情況，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。同時(shí)，GSM模塊和中央控制單元可以集成，提高整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低成本。為我們自己的“智慧家居"創(chuàng)造一個(gè)安全、舒適、節(jié)能、健康的環(huán)境。