智能家居管理系統(tǒng)

史傳寶，李衛(wèi)兵,2，王克會(huì)，劉玉彬

（1.濱州學(xué)院 物理與電子科學(xué)系，山東 濱州 256600；2.濱州學(xué)院 航空信息技術(shù)研發(fā)中心，山東 濱州 256600）

智能家居管理系統(tǒng)

史傳寶1，李衛(wèi)兵1,2，王克會(huì)1，劉玉彬1

（1.濱州學(xué)院 物理與電子科學(xué)系，山東 濱州 256600；2.濱州學(xué)院 航空信息技術(shù)研發(fā)中心，山東 濱州 256600）

系統(tǒng)結(jié)合智能家居節(jié)能、安全、自動(dòng)化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了智能家居管理系統(tǒng)。利用無(wú)線路由器實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)和外網(wǎng)監(jiān)控，在電腦端和手機(jī)端上利用上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻觀看和控制家用電器，通過(guò)GSM發(fā)送短信對(duì)家電進(jìn)行控制，并能實(shí)現(xiàn)家居安全監(jiān)控。該系統(tǒng)具有戶(hù)外防盜監(jiān)控和戶(hù)內(nèi)照明自動(dòng)控制功能,測(cè)試效果良好,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：智能家居；無(wú)線路由；GSM；遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控

智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境[1]。本系統(tǒng)結(jié)合智能家居節(jié)能、安全、自動(dòng)化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以STM32F103RBT6單片機(jī)為控制核心智能家居管理系統(tǒng)。摒棄了高費(fèi)用的無(wú)線3G視頻，利用無(wú)線路由器實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)和外網(wǎng)監(jiān)控，只需要連接wifi網(wǎng)絡(luò)或外網(wǎng)，在電腦端和手機(jī)端上利用上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和家電控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)利用無(wú)線路由器實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)和外網(wǎng)監(jiān)控，需連接wifi網(wǎng)絡(luò)[2]或外網(wǎng)，在電腦端和手機(jī)端上利用上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控和家電控制，通過(guò)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而控制視頻云臺(tái)多角度查看。震動(dòng)傳感器在門(mén)被破壞和碰撞時(shí)都會(huì)報(bào)警，GSM也會(huì)發(fā)送短信通知主人，主人可以立即利用相應(yīng)的上位機(jī)查看家里的視頻信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了門(mén)禁管理子系統(tǒng)，用戶(hù)刷卡進(jìn)入，同時(shí)用戶(hù)還可以通過(guò)GSM控制電磁鎖來(lái)控制門(mén)的開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體框圖Fig. 1 Overall block diagram of the system

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 主控制器模塊

系統(tǒng)采用STM32F103RBT6單片機(jī)控制STM32F103R T6的核心是ARM32位的CortexTM-M3 CPU，最高72 MHz工作頻率，在存儲(chǔ)器的0等待周期訪問(wèn)時(shí)可達(dá)1.25 DMips/MHz(Dhrystone 2.1)，采用了單周期乘法和硬件除法，這就使得它的處理速度非?？?。它的存儲(chǔ)器是從256 K至512 K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器，有高達(dá)64 K字節(jié)的SRAM和帶有4個(gè)片選的靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器，并支持CF卡、SRAM、PSRAM、NOR和NAND存儲(chǔ)器并行LCD接口，兼容8080/6800模式。外部時(shí)鐘系統(tǒng)采用8 M晶振，內(nèi)部時(shí)鐘系統(tǒng)采用8M RC振蕩器，40K RC振蕩器和可校準(zhǔn)32K RTC振蕩器。STM32供電電壓是2.0～3.6 V，典型電壓是3.3 V。它有84個(gè)中斷源，16內(nèi)核68個(gè)外部，16級(jí)可編程中斷優(yōu)先級(jí)，實(shí)時(shí)響應(yīng)外部中斷，映射至幾乎所有I/O口。它有多達(dá)4個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4個(gè)用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計(jì)數(shù)的通道和增量編碼器輸入[3]。

2.2 視頻無(wú)線傳輸模塊

2.2.1 局域網(wǎng)視頻無(wú)線傳輸模塊

把普通的無(wú)線路由器通過(guò)刷入開(kāi)源的Openwrt系統(tǒng)，使之成為一個(gè)運(yùn)行了Linux系統(tǒng)的小電腦，Openwrt系統(tǒng)就是從思科的路由源碼改造過(guò)來(lái)的，一個(gè)適用于某些特定芯片的路由器的小型Linux系統(tǒng)，有了這個(gè)系統(tǒng)，我們的路由就不再是上網(wǎng)那么簡(jiǎn)單了，我們可以在上面安裝各種程序、驅(qū)動(dòng)，以路由為平臺(tái)，用戶(hù)可以自由地加載USB攝像頭、網(wǎng)卡、聲卡、等等設(shè)備。我們就是將其加載了USB攝像頭，我們利用路由器上的程序把USB攝像頭的視頻進(jìn)行編碼，然后通過(guò)wifi返回給上位機(jī)，這樣，我們就可以從上位機(jī)上看到來(lái)自攝像頭的視頻了。同時(shí)路由一般都預(yù)留有TTL串口，TTL串口是用來(lái)調(diào)試或者刷機(jī)用的，我們把這個(gè)TTL串口引出來(lái)，然后通過(guò)安裝在路由里面的Ser2net軟件，就能把來(lái)自WIFI信道的指令轉(zhuǎn)到串口輸出，而串口在這里的作用就是與單片機(jī)芯片MCU通信，讓單片機(jī)知道用戶(hù)要讓他做什么動(dòng)作。局域網(wǎng)視頻無(wú)線傳輸圖解如圖2所示。

2.2.2 外網(wǎng)視頻無(wú)線傳輸模塊

外網(wǎng)控制的基本原理就是“端口映射”+“動(dòng)態(tài)域名”。就是在家里的無(wú)線路由器上做一個(gè)設(shè)置，使得外網(wǎng)對(duì)于路由器上一個(gè)特定的端口的訪問(wèn)會(huì)被路由器重新轉(zhuǎn)到一個(gè)指定的IP主機(jī)和端口，這樣一來(lái)，家里的無(wú)線路由器就等于是一個(gè)“橋”，聯(lián)通了外網(wǎng)和攝像頭上面的路由，使得我們可以在外網(wǎng)控制家居。

圖2 局域網(wǎng)視頻無(wú)線傳輸圖解Fig. 2 LAN Wireless Video Transmission diagram transmission

本系統(tǒng)選用 WE-F153中星微301攝像頭，130萬(wàn)像素，動(dòng)態(tài)分辨率為640×480，最大視頻傳輸速率為60幀/秒，色彩位數(shù)24位，接口夜視發(fā)光二極管,有效距離為2 m(線控）, USB電纜長(zhǎng) 1.5 m，360度可調(diào)。外型尺寸:35mm×75mm×57mm，重量為150 g。經(jīng)測(cè)試該款攝像頭視頻傳輸流暢，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。外網(wǎng)視頻無(wú)線傳輸圖解如圖3所示。

圖3 外網(wǎng)視頻無(wú)線傳輸圖解Fig. 3 Network video wireless transmission diagram

2.3 GSM遠(yuǎn)程控制模塊

GSM模置了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的SMS（短消息）及GPRS（通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)）協(xié)議[4]，對(duì)外接口僅為一UART串口。使用單片機(jī)編寫(xiě)AT指令程序，即可通過(guò)GSM模塊發(fā)送短信和打電話(huà)，也可以給GSM模塊發(fā)送短信和打電話(huà)[5]，從而與GSM模塊相連接的單片機(jī)接收到指令信息作出相應(yīng)的指令動(dòng)作。開(kāi)發(fā)難度適中，有利于實(shí)現(xiàn)。GSM模塊的的工作電壓是5 V，因?yàn)樗墓ぷ麟娏鞣逯翟?.3～2 A 左右。GSM模塊的指令與作用功能表如表一所示，GSM模塊與單獨(dú)與STC11單片機(jī)連接電路如圖4所示。

圖4 GSM模塊與STC單片機(jī)連接電路Fig. 4 The GSM module and the STC microcontroller circuit

2.4 外圍電路設(shè)計(jì)

2.4.1 震動(dòng)傳感器電路

801 S ANT-801S 振動(dòng)傳感器的作用主要是將機(jī)械量接收下來(lái)，并轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量。振動(dòng)傳感器并不是直接將原始要測(cè)的機(jī)械量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚菍⒃家獪y(cè)的機(jī)械量做為振動(dòng)傳感器的輸入量，然后由機(jī)械接收部分加以接收，形成另一個(gè)適合于變換的機(jī)械量，最后由機(jī)電變換部分再將變換為電量。因此一個(gè)傳感器的工作性能是由機(jī)械接收部分和機(jī)電變換部分的工作性能來(lái)決定的。振動(dòng)傳感器電路如圖5所示。

圖5 振動(dòng)傳感器電路Fig. 5 Vibration sensor circuit

2.4.2 電磁鎖

該模塊由單片機(jī)控制繼電器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制電磁鎖，實(shí)現(xiàn)門(mén)的開(kāi)與閉。當(dāng)系統(tǒng)收到開(kāi)門(mén)或關(guān)門(mén)的指令后，單片機(jī)控制繼電器開(kāi)或閉，通電時(shí)電磁鎖會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的吸引力，斷電后磁力消失，門(mén)就打開(kāi)了。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)中電腦端和手機(jī)端可通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行視頻監(jiān)控，通過(guò)控制舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)可控制攝像頭360度轉(zhuǎn)動(dòng)。RFID射頻模塊采集磁卡信息，顯示在液晶上，并把本系統(tǒng)的磁卡信息通過(guò)GSM發(fā)送給用戶(hù)，用戶(hù)又可以用手機(jī)發(fā)送控制指令控制電磁鎖閉合或斷開(kāi)。震動(dòng)傳感器用來(lái)檢測(cè)房屋安全，出現(xiàn)劇烈震動(dòng)或房門(mén)遭到破壞時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)GSM給用戶(hù)發(fā)送報(bào)警信息。系統(tǒng)流程圖如圖6。

圖6 程序流程圖Fig. 6 Program flow chart

3.2 系統(tǒng)的上位機(jī)

智能家居管理系統(tǒng)的上位機(jī)有兩個(gè)。兩個(gè)上位機(jī)都可運(yùn)行在電腦端和手機(jī)端。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)和外網(wǎng)的視頻監(jiān)控，控制家電設(shè)備和攝像頭的上下左右的移動(dòng)。其頁(yè)面如圖7所示。

4 結(jié) 論

圖7 智能家居管理系統(tǒng)上位機(jī)Fig. 7 The upper monitor of intelligent home furnishing management system

本系統(tǒng)在局域網(wǎng)內(nèi)可以用手機(jī)端及電腦端查看視頻信息，又可以通過(guò)路由的以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)與外網(wǎng)的連接，完全達(dá)到我們需要的效果。RFID射頻門(mén)禁系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)需要，操作簡(jiǎn)單，讀卡無(wú)延遲，對(duì)本系統(tǒng)的磁卡識(shí)別率高，無(wú)錯(cuò)讀及漏讀現(xiàn)象。GSM短信控制成功率高，信息發(fā)送即時(shí)系統(tǒng)整體運(yùn)行情況正常。但是視頻傳輸時(shí)還無(wú)法傳輸音頻信息，GSM模塊工作時(shí)需要較大電流，功耗較大，系統(tǒng)缺少斷電保護(hù)功能，系統(tǒng)還需要不斷改進(jìn)。

[1] 鄭嫻,姚銘.智能家庭網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].智能建筑與城市信息,2006(8):109-112.

ZHENG Xian, YAO Ming. Intelligent family network status and development trend of [J].intelligent Building and City Information,2006(8):109-112.

[2] 余海,曹蕾.基于WIFI的無(wú)線網(wǎng)狀(Mesh)組網(wǎng)技術(shù)[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2011,34(10:121-122.

YU Hai, CAO Lei. Wireless mesh networking technology based on WIFI [J].Modern Electronic Technology,2011,34(10):121-122.

[3] 李寧.基于MDK的STM32處理器開(kāi)發(fā)應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[4] 劉婷,胡玉娟,孟慶偉.家庭無(wú)線路由器的設(shè)置與調(diào)試[J].信息技術(shù),2012(6):31-32.

LIU Ting,HU Yu-juan,MENG Qing-wei.The setup and commissioning of home wireless router [J].Information Technology,2012(6):31-32.

[5] 林添成.基于GSM的遠(yuǎn)程家居控制系統(tǒng)[J].裝備制造技術(shù),2010(5):75-76.

LIN Tian-cheng.Remote household appliance control system for appliance based on GSM [J].Journal of Equipment Manufacturing Technology,2010(5):75-76.

[6] 劉主鏈,宋躍,何志輝,等.無(wú)線模塊與GSM實(shí)現(xiàn)的智能遠(yuǎn)程家居控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2011,19(9):2133-2135.

LIU Zhu-lian,SONG Yue,HE Zhi-hui,et al.Control system of smart and remote home based on wireless and GSM module[J].Journal of Computer Measurement and Control,2011,19(9):2133-2135.

Intelligent home furnishing management system

SHI Chuan-bao1, LI Wei-bing1,2, WANG Ke-hui1, LIU Yu-bin1
（1.Department of Physics and Electronic Science of Binzhou University, Binzhou 256600, China;2. Aviation IT R&D Center, Binzhou University, Binzhou 256603, China）

The system combines the characteristics of intelligent home furnishing energy saving, safety, automation,intelligent home furnishing design management system. LAN and WAN monitoring using wireless router, remote video watching and controlling household appliances by using PC computer and mobile phone in the end end, through the GSM to send SMS to control home appliances, and can realize the home furnishing security monitoring. The system has the outdoor anti-theft monitoring and Touchi Terua automatic control function, the test result is good, has the actual application value.

Intelligent home furnishing; wireless routing; GSM; remote video surveillance

TN914

A

1674-6236(2014)03-0136-03

2013–06–11 稿件編號(hào)：201306071

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201210449102)

史傳寶(1990—)，男，山東商河人。研究方向：電子信息科學(xué)與技術(shù)。