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

　張晶瑩

（天津城市建設(shè)管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300134）

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

張晶瑩

（天津城市建設(shè)管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300134）

介紹了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展背景和應(yīng)用現(xiàn)狀，設(shè)計了集RFID射頻識別技術(shù)、綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、組態(tài)技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)，包含安全控制模塊、消防控制模塊和智能家居模塊，建立了基于現(xiàn)場CAN總線與家庭主機的通信方案。通過該控制系統(tǒng)，用戶可以隨時隨地地通過互聯(lián)網(wǎng)或手機對智能家居進(jìn)行控制并且接收有關(guān)的家居信息。

物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；安防系統(tǒng)；CAN總線

1　設(shè)計背景

從1999年美國麻省理工學(xué)院（MIT）自動識別中心（Auto-ID Labs）提出網(wǎng)絡(luò)化無線射頻識別（RFID）系統(tǒng)到2005年國際電信聯(lián)盟（ITU）在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS）上提出“物聯(lián)網(wǎng)IOT”的概念，自此，物聯(lián)網(wǎng)正式走入人們的視野［1］。再到2009年8月7日，溫家寶總理視察無錫，提出“感知中國”計劃，拉開中國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的帷幕。

隨著科技的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)已深入到各個行業(yè)。如：工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)、環(huán)保、軍事、交通、家居等幾乎所有的領(lǐng)域。為了能給人們提供舒適、節(jié)能、安全、高效的智能化生活，做了一套關(guān)于智能家居綜合控制的設(shè)計方案。

2　系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)是一款集RFID射頻識別技術(shù)、綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、組態(tài)技術(shù)的智能家居安防系統(tǒng)。系統(tǒng)共包含安全控制模塊、消防控制模塊和智能家居模塊。通過現(xiàn)場CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將各個模塊組態(tài)成一個家庭范圍的局域網(wǎng)，每個模塊將上位機的信息傳輸?shù)郊译娀蛟O(shè)備終端，并及時將反饋信息發(fā)送到上位機。上位機的控制軟件通過組態(tài)技術(shù)、Internet或無線網(wǎng)絡(luò)控制建立人和終端模塊的交互通信，實現(xiàn)智能家居安防系統(tǒng)的監(jiān)視及控制等功能。通過各項技術(shù)的相互連接與配合使整個系統(tǒng)可以高效地完成任務(wù)。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)構(gòu)成圖

本系統(tǒng)具有良好的擴展性，適用于各類住宅、辦公場所，根據(jù)不同的建筑結(jié)構(gòu)、功能需求進(jìn)行終端模塊的功能開發(fā)、拓展升級。新的終端模塊根據(jù)需求植入新功能后，即可通過上位機組態(tài)并入現(xiàn)場CAN總線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息共享，達(dá)到為用戶提供舒適性、安全性和高效性的家居環(huán)境，真正實現(xiàn)全自動化智能生活環(huán)境的目標(biāo)。

3　基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居設(shè)計

3.1硬件設(shè)計

3.1.1安全控制模塊

安全控制模塊的設(shè)計是基于微處理器STM32 F107為控制核心完成的，它是意法半導(dǎo)體推出的全新STM32互聯(lián)型系列微處理器中一款較強的產(chǎn)品。其標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)包括10個定時器、兩個12位1-M Samples/s AD、兩個12位DA、兩個I2C接口、5個USART接口、兩路CAN2.0接口以及以太網(wǎng)10/100MAC模塊［2-3］。此芯片可以滿足工業(yè)、醫(yī)療、樓宇自動化、智能家居等多個領(lǐng)域的需求。該模塊主要實現(xiàn)門禁控制、人體紅外檢測和智能窗簾控制等功能。系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示。

圖2　硬件構(gòu)成圖

電源電路是將輸入的AC220V居民用電經(jīng)過降壓、濾波、整流等過程為控制模塊的系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的低壓直流電源；JTAG接口主要滿足程序下載功能；串口通信采用DB9針標(biāo)準(zhǔn)接口，主要用于調(diào)試和內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)信息的設(shè)定；晶振電路為系統(tǒng)提供時鐘，決定系統(tǒng)的運行速率；復(fù)位模塊采用復(fù)位芯片，當(dāng)系統(tǒng)初始化或者故障時啟用；CAN接口將本地模塊并入CAN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與上位機的通信。

紅外檢測通過紅外探測器感應(yīng)到人體溫度，觸發(fā)探測器將開關(guān)量數(shù)字信號輸入模塊控制系統(tǒng)，從而檢測到該防范區(qū)域內(nèi)有人進(jìn)入，它可以和門禁安防系統(tǒng)聯(lián)動，達(dá)到擴大監(jiān)視范圍的目的；門禁控制接受控制系統(tǒng)輸出的開關(guān)量數(shù)字信號，可以完成開關(guān)門、報警等動作，也可以通過控制系統(tǒng)與消防系統(tǒng)聯(lián)動、視頻監(jiān)控等進(jìn)行聯(lián)動；光照檢測窗簾控制是將感光傳感器的輸入信號或者系統(tǒng)控制的信號，根據(jù)運算要求輸出數(shù)字量信號控制驅(qū)動窗簾的電機，從而實現(xiàn)對窗簾的控制。

3.1.2消防控制模塊

消防控制模塊以及智能家居模塊硬件電路基本功能的設(shè)計與上述安全控制模塊相同，這里不再一一贅述，該模塊上述模塊的硬件設(shè)計的不同點有：（1）火焰CO2監(jiān)測，火災(zāi)發(fā)生時空氣中的二氧化碳濃度達(dá)到一定值就會觸發(fā)探測傳感器將數(shù)字信號輸入控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)輸出火災(zāi)警報數(shù)字信號，同時輸出滅火裝置控制信號，將火災(zāi)消滅在初期引燃階段；（2）燃?xì)馑娍刂剖峭ㄟ^CAN總線接收到的上位機控制信號（手機或電腦），進(jìn)行識別和運算后輸出的數(shù)字量信號，打開或者關(guān)閉家中的燃?xì)忾y、水閥，還可以擴展控制家中的電氣設(shè)備的開啟或關(guān)閉，如點燈、空調(diào)、電視機等，并將開關(guān)狀態(tài)的數(shù)字量信號輸入到控制系統(tǒng)，上位機即可進(jìn)行實時監(jiān)控，提高家居安全性。

3.1.3智能家居模塊

智能家居模塊主要增加以下硬件設(shè)計：（1）空氣質(zhì)量監(jiān)測，主要用來檢測空氣中的小微粒，當(dāng)檢測裝置檢測到空氣中的小微粒大于或等于設(shè)定值時，就會想主機發(fā)出數(shù)字量信號，控制系統(tǒng)收到該警告信號，控制系統(tǒng)通過CAN總線向控制主機和用戶傳達(dá)該信號，并根據(jù)要求啟動空氣凈化器，從而使空氣質(zhì)量一直處于良好狀態(tài)；（2）寵物喂食，所謂自動寵物喂食就是按照設(shè)定好的時間和食物量定時定量地給寵物進(jìn)行喂食。這種產(chǎn)品比較適合上班族、出差族等。其中電子稱的作用是：①給寵物進(jìn)行定量；②實時顯示寵物箱中食物量的變化，當(dāng)實物量小于或等于設(shè)定值時就會向控制主機發(fā)出信號食物不夠了，此時，食物供應(yīng)商就會自動上食，時間采集由微處理器自帶的定時器完成，電子秤的模擬信號則通過微處理器的AD通道采集輸入；（3）溫濕度檢測，通過溫濕度檢測裝置（自帶串口通信功能），與控制系統(tǒng)的USART通信口建立實時通信。

3.2軟件設(shè)計

3.2.1終端模塊的軟件設(shè)計

終端模塊的軟件設(shè)計包括安全控制模塊、消防控制模塊和智能家居模塊的軟件設(shè)計，各個模塊設(shè)計流程基本相似，但輸入輸出和運算方法根據(jù)各自控制部件的不同稍有差異，其中安全控制模塊主程序流程如圖3所示。

圖3　軟件流程圖

系統(tǒng)上電后，進(jìn)行系統(tǒng)初始化和CAN通信初始化，當(dāng)有死機或者不能恢復(fù)的故障時，復(fù)位電路輸入系統(tǒng)可進(jìn)行再次初始化。系統(tǒng)初始化完成后，優(yōu)先處理通過CAN總線接收到的上位機指令，即通過電腦或者手機等輸入控制指令，然后根據(jù)終端模塊所檢測到的實際情況，按照既定程序打開或關(guān)閉相關(guān)部件以及發(fā)出報警，并將處理結(jié)果和各部件的狀態(tài)通過CAN總線發(fā)送到上位機。

3.2.2 PC機監(jiān)控軟件的設(shè)計

PC機監(jiān)控軟件主要包括通信程序的設(shè)計和智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計。各終端模塊通過CAN總線與PC機建立通信，由于大部分PC機沒有直接配備CAN通信接口，本設(shè)計通過市售CAN卡將CAN總線信號轉(zhuǎn)換為PC機能檢測到的USB控制信號。

監(jiān)控軟件通信程序的設(shè)計采用Visual C++6.0開發(fā)，它是一款基于Windows操作系統(tǒng)的可視化集成開發(fā)環(huán)境，功能強大、開發(fā)流程簡單。常用串口通信程序一般可以用兩種方法實現(xiàn):（1）采用MSComm ActiveX串行通信控件進(jìn)行設(shè)計；（2）使用Windows API通信函數(shù)［4］。本文采用基于MSComm串行通信控件的串口編程技術(shù)現(xiàn)實了PC機與CAN卡的通信，進(jìn)而將PC機與終端模塊組成CAN總線網(wǎng)絡(luò)，建立數(shù)據(jù)通信。

智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計主要完成了智能家居環(huán)境顯示、家電設(shè)備工作狀態(tài)指示、故障顯示、手動控制操作（支持對各終端模塊的開、關(guān)和屏蔽控制）、自動模式選擇（包括外出、睡眠、聚會等生活家庭常有的狀態(tài)）以及Internet、Wifi通信功能等，同時開發(fā)了支持移動終端控制的GSM通信功能，實現(xiàn)了將物聯(lián)網(wǎng)與移動終端結(jié)合如手機、遠(yuǎn)程電腦終端、平板電腦等的通信。用戶通過移動終端即可了解和操作家里的各種家電和設(shè)備，如通過安卓系統(tǒng)短信控制軟件可以通過發(fā)行短信對智能家居進(jìn)行控制與監(jiān)控。首先確保所要控制的“手機號碼”和系統(tǒng)GSM模塊中的SIM卡號碼相同，通過軟件發(fā)短信或通過發(fā)短信的方式控制智能家居系統(tǒng)，同時也可以隨時掌握家中的環(huán)境和電氣的工作狀態(tài)。本設(shè)計在控制方式中進(jìn)一步引入基于RFID技術(shù)的主人自動識別方案，RFID即射頻識別技術(shù)，作為一種全新的非接觸自動識別技術(shù)，已經(jīng)逐漸在商業(yè)、物流、生產(chǎn)制造等領(lǐng)域開始展開應(yīng)用。用戶主機通過RFID技術(shù)自動讀取置于主人手機或者卡片的身份識別碼，結(jié)合主人設(shè)定的安全級別要求，自動控制門禁系統(tǒng)和用電器等，使用戶能真正體驗智能家居。

4　系統(tǒng)創(chuàng)新點

（1）工藝創(chuàng)新：智能家居通過傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、組態(tài)控制技術(shù)、綜合布線技術(shù)、建立主人與智能家居的生活平臺，使主人可以與家庭電器進(jìn)行對話交流，可實時控制智能居家生活系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以多模塊并行接入，兼容性能良好，設(shè)計簡單、操作方便，符合高效設(shè)計原則。

（2）應(yīng)用創(chuàng)新：RFID非接觸自動識別技術(shù)在未來各個領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。本文通過引入RFID通信技術(shù)，將智能家居控制系統(tǒng)與主人的身份相聯(lián)系起來，當(dāng)主人識別信息在系統(tǒng)接收范圍之內(nèi)時，系統(tǒng)可以自動開啟智能模式，提高舒適性，當(dāng)主人外出時，系統(tǒng)又不會接收意外控制信號，有效保障家居安全。

5　結(jié)束語

當(dāng)局域網(wǎng)出現(xiàn)的時候，和現(xiàn)在一樣，成為新興產(chǎn)業(yè)浪潮的趨勢，當(dāng)時誰也沒有想到它可以發(fā)展成為現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)。而今，物聯(lián)網(wǎng)和當(dāng)時局域網(wǎng)一樣地出現(xiàn)了，帶來了前所未有的發(fā)展前景，帶來了良好的發(fā)展機遇的同時，也帶來了無限的挑戰(zhàn)，時代總是在這樣的情況下發(fā)展起來。

本文設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制系統(tǒng)只是物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代生活中的一個應(yīng)用，就像互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展步伐一樣，隨著時代的進(jìn)步，高新技術(shù)的應(yīng)用日益凸顯，互聯(lián)網(wǎng)已深入人們的日常生活，當(dāng)然，相信未來的物聯(lián)網(wǎng)也逐漸滲透到各大領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)的影響將與日俱增，最終會像互聯(lián)網(wǎng)一樣，成為人們生活的一部分。

［1］王保云.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述［J］.電子測量與儀器學(xué)報，2012，（12）：1-7.

［2］意法半導(dǎo)體（中國）投資有限公司，STM32F10xxx參考手冊［M］.北京：意法半導(dǎo)體（中國）投資有限公司，2010.

［3］劉火良，楊森.STM32庫開發(fā)實戰(zhàn)指南［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

［4］李現(xiàn)勇.VC++串口通信技術(shù)與工程實踐［M］.北京人民郵電出版社，2002.

［5］周洪，胡文山，張立明.智能家居控制系統(tǒng)［M］.北京：中國電力出版社，2013.

Design of SmartHome ControlSystem Based on the Internetof Things

ZHANG Jing-ying
（Tianjin Urban Construction and Management，Career Technical College，Tianjin 300134，China）

In this paper，the development background and application status of Internet of things was introduced，，the smart home security system integration of RFID radio frequency identification technology，premises distributed system，network communication technology and configuration technology was explained，that contains security controlmodule，fire controlmodule and intelligent home controlmodule，which communicate with the host through the CAN bus.Through the control system，users can control of household equipments and obtain various data of household using the Internet ormobile atany time.

the internet of things；smart home；security system；CAN bus

TN273.3

A

1672-545X（2016）06-0054-04

2016-03-21

張晶瑩（1983-），女，天津人，碩士研究生，研究方向：機電控制及其自動化。