智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李慶 黃傳翔

摘要：隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，家用電器基于智能控制系統(tǒng)，通過微處理器、傳感器、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，可以在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。文章將ZigBee技術(shù)、通信技術(shù)和嵌入式開發(fā)技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一款實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測環(huán)境信息的智能化系統(tǒng)，用戶通過Intemet可以執(zhí)行家庭住宅內(nèi)部環(huán)境信息的查詢和家電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)以STM32F103RCT6單片機(jī)為硬件控制平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)窗簾、照明系統(tǒng)等的智能控制．

關(guān)鍵詞：智能家居：ZigBee；環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號：TN02 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和人工智能是智能家居領(lǐng)域的三大關(guān)鍵技術(shù)，借助5G、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字技術(shù)，大批智能產(chǎn)品進(jìn)入尋常百姓家。商務(wù)部發(fā)布的網(wǎng)絡(luò)零售市場數(shù)據(jù)顯示．2021年，家居智能設(shè)備銷售額同比增長90. 5%，可見人們對智能家居的需求不斷提升。如今，很多家居產(chǎn)品都主打智能化，加上人們生活理念的改變，溫馨、舒適、安全的智能家居系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

1 智能家居系統(tǒng)的組網(wǎng)技術(shù)

本研究設(shè)計(jì)了一款基礎(chǔ)的智能家居環(huán)境控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)為用戶提供穩(wěn)定可靠的家庭信息。通過該系統(tǒng)，人們可以準(zhǔn)確地獲得家庭環(huán)境的信息，為人們的居家生活增添了便利和樂趣。家庭環(huán)境參數(shù)的改變可以促使其他智能設(shè)備做出決策，從而實(shí)現(xiàn)家庭環(huán)境的智能調(diào)整。智能家居系統(tǒng)常用組網(wǎng)方式如下。

1.1 集中布線技術(shù)

集中布線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是使用專業(yè)的信號線，組網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定，適合范圍較廣的智能控制環(huán)境，缺點(diǎn)是布線成本高、系統(tǒng)升級難度大、施工時(shí)間長。

1.2 電力載波技術(shù)

電力載波技術(shù)直接采用電力線作為傳輸介質(zhì)，施工安裝方便。其缺點(diǎn)是信號不穩(wěn)定、抗干擾性差，而我國的電力信號中相對諧波較多，這對控制信號的影響更大。因此，電力載波技術(shù)不合適智能家居系統(tǒng)。

1.3 無線射頻技術(shù)

無線射頻技術(shù)不需要煩瑣的布線，易于安裝，智能家電的控制是通過點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的，該技術(shù)屬于無線通信。其主要問題是控制的方式單一，不可能進(jìn)行大面積的統(tǒng)一控制，容易受到家庭環(huán)境中無線設(shè)備的干擾，因此也不符合現(xiàn)代人們對智能家居的需求。

1.4 ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)

ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)具有總體價(jià)格低、能耗低、安裝布線簡單、非常容易擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，非常適合應(yīng)用于當(dāng)代的智能家居控制系統(tǒng)。

2 ZigBee組網(wǎng)技術(shù)

2.1 ZigBee組網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)

ZigBee是一種無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，該技術(shù)的特點(diǎn)是復(fù)雜度低、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速率低、成本低和距離短[1]。目前，ZigBee的目標(biāo)市場主要是傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、家庭樓宇自動(dòng)化、醫(yī)療應(yīng)用、工業(yè)監(jiān)控和安全系統(tǒng)等領(lǐng)域。短距離無線通信技術(shù)的對比如表1所示。

2.2 ZigBee組網(wǎng)過程

任何一個(gè)ZigBee模塊要想加入某個(gè)網(wǎng)絡(luò)，一定要一個(gè)處于該網(wǎng)絡(luò)里的節(jié)點(diǎn)作為媒介，并且這個(gè)媒介不能是終端節(jié)點(diǎn)[2]。在加入網(wǎng)絡(luò)之后，媒介節(jié)點(diǎn)和被介紹加入的節(jié)點(diǎn)是父子關(guān)系，媒介節(jié)點(diǎn)是父節(jié)點(diǎn)，加入的節(jié)點(diǎn)是子節(jié)點(diǎn)。當(dāng)加入節(jié)點(diǎn)有多個(gè)媒介可以選擇時(shí)，其根據(jù)信號強(qiáng)度對比，選擇最佳的媒介節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)里，每個(gè)模塊在網(wǎng)絡(luò)中都有一個(gè)唯一的2字節(jié)地址，PANID是一個(gè)2字節(jié)的編碼，用于區(qū)分不同的ZigBee無線網(wǎng)，即個(gè)域網(wǎng)ID。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作流程如圖1所示。

3 系統(tǒng)整體方案

本文設(shè)計(jì)出一款環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，打造舒適豐富的生活環(huán)境。該系統(tǒng)由移動(dòng)終端、WiFi模塊、主控制器和ZigBee模塊4個(gè)部分組成，建立有效的防御系統(tǒng)，對家庭環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理和監(jiān)測。倡導(dǎo)方便靈活的生活方式，移動(dòng)終端是用戶手機(jī)或電腦．WiFi模塊實(shí)現(xiàn)室內(nèi)網(wǎng)關(guān)和外界的通信。主控制器是核心，營造高效可靠的工作模式，ZigBee模塊主要是收集環(huán)境數(shù)據(jù)并將其打包以傳輸?shù)街骺刂破?。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 智能家居環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 主控制器及主要外圍電路設(shè)計(jì)

STM32控制器主要負(fù)責(zé)對用戶手機(jī)發(fā)出的控制命令做出準(zhǔn)確的判斷，然后發(fā)送相應(yīng)指令給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，同時(shí)還要將終端節(jié)點(diǎn)采集的信息發(fā)到用戶智能手機(jī)上。本文選用的STM32F103RCT6是一種嵌入式微控制器的集成電路。

4.1.1 USB轉(zhuǎn)串口電路

目前常用的USB轉(zhuǎn)串口的芯片有FT232，CP2102．CH340和PL2303等，從芯片的穩(wěn)定性和價(jià)格綜合比較，CH340最符合本系統(tǒng)的開發(fā)需要[3]。本文的USB轉(zhuǎn)串口電路采用CH340 G芯片。具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

4.1.2

JTAC/SWD模式調(diào)試接口電路

JTAC是國際標(biāo)準(zhǔn)的一種測試協(xié)議，四線的JTAG接口是測試芯片內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)。JTAC采用排線的方式連接，為了提高抗干擾性，在每條信號線之間加上地線，就是20針的接口。

4.2

ZigBee硬件選型及傳感器模塊

本系統(tǒng)選擇的是TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片，該芯片的總材料成本很低且可以建立豐富的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)[4]。傳感器模塊主要包括溫濕度傳感器、煙霧傳感器、燃?xì)鈧鞲衅骱腿梭w紅外感應(yīng)模塊。本文選用具有溫度和濕度的數(shù)字復(fù)合傳感器DHT11；溫度傳感器使用DS18820，煙霧傳感器使用氣敏式MQ-2。本文使用的MQ-7傳感器對一氧化碳非常敏感，通常專門用來檢測家庭中煤氣或燃?xì)庑孤丁１疚牟捎玫氖荋C-SR501人體感應(yīng)模塊，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須使用菲涅爾透鏡聚集紅外線，形成交替變化的紅外輻射盲區(qū)和高靈敏區(qū)，以提高靈敏度，擴(kuò)大檢測范圍。

4.3 家電控制模塊

照明系統(tǒng)是日常家居生活的必備產(chǎn)品，本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制照明系統(tǒng)的開關(guān)?，F(xiàn)選用CC2530模塊中LED燈模擬家庭客廳、臥室和廚房的燈泡，使用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來代替窗簾打開和關(guān)閉狀態(tài)，采用SGS公司的L298 N芯片，能驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，電路中的續(xù)流二極管可以保護(hù)芯片，防止燒壞。電路如圖4所示。

4.4繼電器控制模塊

智能插座、智能窗簾、加濕器、空調(diào)等設(shè)備的繼電器模塊是用來實(shí)現(xiàn)通斷操作的。繼電器實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，需要三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。繼電器吸合接通控制電路，繼電器關(guān)斷則切斷控制電路。該電路采用NPN型晶體管，主要是起到放大作用。電路中二極管可以及時(shí)斷開繼電器，保護(hù)晶體管，防止發(fā)生擊穿現(xiàn)象。LED的作用是指示繼電器是否處于工作狀態(tài)。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

傳感器模塊在硬件設(shè)計(jì)已完成的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的采集和發(fā)送，當(dāng)它啟動(dòng)后，需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，用戶可以通過函數(shù)Sample App_Process Evenc（）定義功能，并設(shè)置定時(shí)器處理事件，如果有事件發(fā)生，各傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)并判斷是否啟動(dòng)模擬數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，然后發(fā)送給協(xié)調(diào)器[5]。本文中傳感器節(jié)點(diǎn)主要采集溫濕度、一氧化碳、光照和煙霧濃度等環(huán)境信息。

系統(tǒng)采用光敏電阻和普通電阻設(shè)計(jì)光照采集電路，隨著光照強(qiáng)度的變化，阻值也發(fā)生變化，從而使得系統(tǒng)測定的模擬電壓也在變化，通過A/D轉(zhuǎn)換可以把光線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號，而電壓信號再轉(zhuǎn)化成光照值進(jìn)行輸出。根據(jù)輸出值，系統(tǒng)主控制器通過控制窗簾的狀態(tài)來改善家庭環(huán)境。采用溫度傳感器DS18820和煙霧傳感器MQ-2綜合監(jiān)測火災(zāi)的發(fā)生，終端節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)值以打包的方式發(fā)給協(xié)調(diào)器。溫度傳感器DS18820和煙霧傳感器MQ-2采集并發(fā)送數(shù)據(jù)包的程序與溫濕度傳感器類似。溫濕度傳感器流程如圖5所示。

當(dāng)溫濕度傳感器檢測到的溫度或濕度超出預(yù)設(shè)的正常范圍時(shí)，則會(huì)通過主控制器控制繼電器電路操作空調(diào)，家庭中的空調(diào)控制節(jié)點(diǎn)工作流程如圖6所示。

6 系統(tǒng)性能測試

本文的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括協(xié)調(diào)器、路由器和對應(yīng)的傳感器終端節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)主要測試的是ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)和各傳感器模塊性能的測試。

6.1 溫度傳感器準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)

在傳感器終端下方25 cm左右處燃燒明火，使探測器周圍的溫度超過40℃．1 min內(nèi)報(bào)警界面顯示并發(fā)出報(bào)警信息。

6.2燃?xì)鈧鞲衅鳒?zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)

采用丁烷氣體模擬煤氣泄露，測試M0-2傳感器的響應(yīng)速率，同時(shí)觀察報(bào)警系統(tǒng)的響應(yīng)，經(jīng)過30次的實(shí)驗(yàn)，燃?xì)鈧鞲衅黜憫?yīng)迅速。

6.3 報(bào)警模塊功能測試

家居環(huán)境中數(shù)據(jù)信息一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)時(shí)，報(bào)警功能模塊會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，并通過短信模塊發(fā)送報(bào)警信息給用戶。

6.4 窗簾電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路測試

測試的重點(diǎn)是觀察電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)是否穩(wěn)定，窗簾停止時(shí)，限位開關(guān)動(dòng)作到位。通過串口助手進(jìn)行調(diào)試電機(jī)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行開啟和關(guān)閉觸發(fā)的準(zhǔn)確性，同時(shí)測試指令發(fā)送正常。

7 結(jié)語

本文對ZigBee組網(wǎng)進(jìn)行分析，研究并設(shè)計(jì)控制電路原理圖，在CC2530模塊上開發(fā)相應(yīng)的程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，對系統(tǒng)的通信延遲、通信距離以及各傳感器模塊的響應(yīng)精度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果，組網(wǎng)能力強(qiáng)，傳感器模塊響應(yīng)及時(shí)準(zhǔn)確，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的遠(yuǎn)程控制。隨著AI技術(shù)、5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對智能家居控制系統(tǒng)的關(guān)注點(diǎn)也發(fā)生了變化，例如．5G帶寬高時(shí)低延，使得人與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的交互更加快速便捷，在此技術(shù)下，可以將不同的家居設(shè)備傳感器和算法軟件整合，形成智能的互聯(lián)互通。但是信息安全風(fēng)險(xiǎn)控制就成了智能家居系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)。相信，這些新技術(shù)的發(fā)展，必然會(huì)助力防范安全風(fēng)險(xiǎn)，加速智能技術(shù)落地。

參考文獻(xiàn)

[1]黃文鋒．基于智能家居的物聯(lián)網(wǎng)感知層安全威脅及關(guān)鍵技術(shù)分析[J]．西安文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021（1）：59-64．

[2]程翔，許正榮，張昆明．基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2021（ 3）：106 -108，111．

[3]張子卿，張華．基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居語言輸入形式自主控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2021（24）：6-10．

[4]趙智慧．智能家居的特點(diǎn)及所需傳感器的挑戰(zhàn)[J]．電子產(chǎn)品世界，2021（2）：4-5．

[5]吳藝娟，秦彩云，萬米洋．基于ZigBee技術(shù)的智能家居環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2022（1）：46-50．

（編輯王雪芬）