基于移動互聯(lián)應(yīng)用的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與思考

俞侃

摘要：本文在對智能家居系統(tǒng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，加入無線傳感和移動互聯(lián)智能應(yīng)用，基于ZigBee、藍(lán)牙、射頻等技術(shù)，通過智能手機(jī)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案。通過嵌入式網(wǎng)關(guān)作為各傳感器控制核心，通過設(shè)置AT指令，利用Modbus通訊協(xié)議和RS485總線，進(jìn)行繼電器執(zhí)行單元的控制。同時，用戶可以通過局域網(wǎng)、公共網(wǎng)絡(luò)，使用PC、智能手機(jī)、平板電腦等設(shè)備，遠(yuǎn)程對于家庭中的智能傳感器和設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和信息互動。本文設(shè)計的系統(tǒng)方案，是在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動互聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對智能家居進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，對于小型物聯(lián)網(wǎng)市場和家庭智能用戶的拓展具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：智能家居；移動互聯(lián)；ZigBee

中圖分類號：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）23-0145-03

1 概述

國家七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)明確提出了“推動新一代移動通信、下一代互聯(lián)網(wǎng)核心設(shè)備和嵌入式網(wǎng)關(guān)的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”的要求。作為新一代信息技術(shù)的核心之一的移動互聯(lián)技術(shù)已全面應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、電子消費品、商業(yè)流通、社會管理、社會服務(wù)等各個行業(yè)領(lǐng)域，并正形成蓬勃發(fā)展之勢，成為全球經(jīng)濟(jì)新的突破口。

智能家居隨著移動互聯(lián)應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與成熟，形成一個集無線網(wǎng)絡(luò)、傳感監(jiān)測、智能控制與自動化、智能安防控制等功能的整體集成系統(tǒng)。

2 成本分析與可行性分析

2.1 成本分析

隨著諸多先進(jìn)科技的應(yīng)用，智能家居呈現(xiàn)數(shù)字化、智能化、潮流化趨勢，展現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力，引領(lǐng)了全新的生活方式，逐漸從奢侈品變?yōu)槿沼帽匦杵?，確實方便省心。

物聯(lián)網(wǎng)專家中國工程院院士鄔賀銓表示，智能家居近年來取得長足進(jìn)步，從有線傳輸過渡到無線，技術(shù)明顯提升，提高了智能化程度，免去布線麻煩，還能升級產(chǎn)品，有力地降低了成本，為消費者的口袋著想，可以適用各類房型。尤其以ZigBee技術(shù)為核心的無線智能家居大行其道，讓消費者自行組合安裝，享受DIY 的樂趣。

民用傳感器的成本本來就比較低，隨著ZigBee、射頻模塊大批量生產(chǎn)線的鋪開，成本隨之降低。STM32等產(chǎn)品的成熟也進(jìn)一步降低了智能家居的成本。

2.2 可行性分析

智能家居項目所屬行業(yè)是在最近幾年間迅速發(fā)展。行業(yè)在繁榮國內(nèi)市場、擴(kuò)大出口創(chuàng)匯、吸納社會就業(yè)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長等方面發(fā)揮的作用越來越明顯。

我國非常中國智能家居領(lǐng)域的發(fā)展，國家和地方在最近幾年有關(guān)該領(lǐng)域的政策力度明顯加強(qiáng)，隨著社會的發(fā)展，居家環(huán)境安全性越來越重要，所以我們需要一個較為安全的智能系統(tǒng)來對居家環(huán)境進(jìn)行個人監(jiān)控。

對于居家環(huán)境里的防盜防火的意外事件，能做好一個監(jiān)控效果，能更好地處理險情，最大化減少財產(chǎn)的損失。

本方案設(shè)計中，傳感器與ZigBee、射頻模塊一一對應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過個域網(wǎng)組網(wǎng)，通過ZigBee、射頻模塊的上報功能將產(chǎn)生的不同電平值信號發(fā)送給嵌入式網(wǎng)關(guān)，嵌入式網(wǎng)關(guān)接收到相應(yīng)信號后，通過藍(lán)牙方式與平板電腦進(jìn)行通信，通過IP網(wǎng)絡(luò)將報警信息傳送給手機(jī)，不管身在何處都可以隨時查看居家情況，并對相應(yīng)的信號進(jìn)行處理。

3 系統(tǒng)方案分析

通過成本分析和可行性分析，本方案確定系統(tǒng)功能如下：

1）監(jiān)測居家煤氣泄漏以及火情情況，當(dāng)出現(xiàn)上述情況時，及時通知用戶發(fā)出報警信號，保障防火安全。

2）監(jiān)測居家防盜情況，當(dāng)出現(xiàn)上述情況時，及時通知用戶及發(fā)出報警信號，保障財產(chǎn)安全。

3）遇到諸如身體不適等緊急情況時，按下報警按鈕，同時通過視頻監(jiān)控，及時通知其他用戶進(jìn)行相應(yīng)救助。

4）室內(nèi)照明系統(tǒng)白天自動關(guān)閉，黑夜?fàn)顟B(tài)并感應(yīng)到有人發(fā)生走動，照明燈自動開啟并延時關(guān)閉。

4 目標(biāo)與解決思路

在確定系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上，采用嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行智能家居控制，采用智能手機(jī)作為監(jiān)護(hù)人隨身攜帶的移動通信工具。通過在嵌入式網(wǎng)關(guān)和平板電腦、智能手機(jī)上進(jìn)行配置和應(yīng)用程序編程，完成信息采集、數(shù)據(jù)處理、智能控制等業(yè)務(wù)功能。具體功能設(shè)計如圖1所示：

基于上述系統(tǒng)本項目流程如下（以發(fā)生火情為例）：

1）煙霧傳感器接收到報警信號；

2）與其連接的通信節(jié)點通過ZigBee模塊告知嵌入式網(wǎng)關(guān)；

3）嵌入式網(wǎng)關(guān)將接收到的信號發(fā)送到智能手機(jī)、平板電腦上，繼而通過RS485接口將電信號傳送給繼電器；

4）繼電器根據(jù)接收信號判斷開啟模塊中的輸出端口，給聲光報警器供電，促使聲光報警器工作；

5）此刻管理人員可通過平板電腦、智能手機(jī)對上述火情進(jìn)行處理，關(guān)閉聲光報警器；

6）平板電腦、智能手機(jī)均可發(fā)送關(guān)閉命令給嵌入式網(wǎng)關(guān)；

7）嵌入式網(wǎng)關(guān)通過RS485接口將關(guān)閉命令發(fā)送給繼電器；

8）繼電器關(guān)閉輸出端口，暫停給報警器供電，工作結(jié)束。

其中，煙霧傳感器、門磁傳感器分別連接ZigBee模塊，固定報警器連接RF433通信模塊，人體紅外傳感器自帶射頻模塊，直接與嵌入式網(wǎng)關(guān)上的RF433射頻模塊連接。

光敏傳感器與串口繼電器輸入端相連，通過感知光線的強(qiáng)弱變化區(qū)分白天與黑夜?fàn)顟B(tài)。智能電表采用Modbus協(xié)議與串口繼電器輸入端相連進(jìn)行通信。

LED照明系統(tǒng)、聲光報警器作為執(zhí)行單元，與串口繼電器的輸出端相連。

同時，LED照明系統(tǒng)用于模擬居家照明，白天關(guān)閉LED燈，夜晚時，當(dāng)人體紅外探測器探測到人活動時，打開LED照明燈并延時關(guān)閉。

RF433通信模塊可工作于RF433無線數(shù)傳模式和RF315解碼模式倆種模式下，分別用于接收射頻信號和信號處理。

當(dāng)光敏傳感器感知光線變暗達(dá)到一定程度時，對嵌入式網(wǎng)關(guān)上的RF433/315模塊自動更改成解碼模式。此時系統(tǒng)可感應(yīng)人體紅外探測器，并對LED照明系統(tǒng)操作，延時關(guān)閉。

當(dāng)光敏傳感器感知光線變亮達(dá)到一定程度時，對嵌入式網(wǎng)關(guān)上的RF433/315模塊自動更改成數(shù)傳模式。此時系統(tǒng)可對固定報警按鈕操作，有報警產(chǎn)生時，觸發(fā)聲光報警器，智能手機(jī)或者平板電腦處理報警信息后，關(guān)閉聲光報警器。

嵌入式網(wǎng)關(guān)和平板電腦之間的信令通過藍(lán)牙方式傳輸，嵌入式網(wǎng)關(guān)工作于藍(lán)牙從機(jī)模式。

并且，隨著環(huán)保和綠色能源概念的提出，在智能手機(jī)和平板電腦上可分析智能電表的當(dāng)前總用電量，換算成CO2排放量，給用戶相應(yīng)提示。

5 項目實施方案

5.1 邏輯框架圖

1）煙霧報警器

3）光敏傳感器

① 白天時實現(xiàn)的功能

② 黑夜時實現(xiàn)的功能

5.2 系統(tǒng)工作原理

1）嵌入式網(wǎng)關(guān)通過藍(lán)牙方式連接平板，平板電腦可以接收和發(fā)送指令給嵌入式網(wǎng)關(guān)。

2）門磁傳感器、煙霧傳感器、固定報警器的數(shù)據(jù)采集發(fā)給嵌入式網(wǎng)關(guān)，嵌入式網(wǎng)關(guān)通過藍(lán)牙方式發(fā)送給平板電腦，平板電腦對采集到的數(shù)據(jù)做相應(yīng)判斷，并將處理結(jié)果發(fā)送給嵌入式網(wǎng)關(guān)，同時通知手機(jī)、PC。

3）平板電腦可以關(guān)閉相關(guān)報警器，手機(jī)也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)對平板電腦發(fā)送指令關(guān)閉相關(guān)報警器。

4）光敏傳感器感知光線變化，通過繼電器發(fā)送信號給嵌入式網(wǎng)關(guān)，嵌入式網(wǎng)關(guān)接收到相應(yīng)信號后轉(zhuǎn)發(fā)給平板電腦，平板電腦發(fā)送指令改變終端的RF433的工作模式。

5.3 IP規(guī)劃、無線路由器用戶名和密碼

將攝像頭，路由器連接電源，再用網(wǎng)線將PC和攝像頭接入路由器LAN端口，具體配置如下表1所示：

5.4 各節(jié)點配置

5.4.1 嵌入式網(wǎng)關(guān)配置

嵌入式網(wǎng)關(guān)具體涉及的配置相對較多，可以分為網(wǎng)關(guān)配置、ZigBee模塊配置、藍(lán)牙模塊配置、RF433/315模塊配置以及RS485總線配置。

1）網(wǎng)關(guān)配置：硬件地址的設(shè)置以及通信方式的設(shè)置；

2）Zigbee模塊配置：設(shè)置PAN ID、CHANNEL及模塊的類型（協(xié)調(diào)器還是路由器）

3）藍(lán)牙模塊配置：設(shè)置藍(lán)牙模塊名稱、連接密碼、工作狀態(tài)及工作模式；

4）RF433/315模塊配置：解碼/數(shù)傳模式配置；

5）RS485總線配置：設(shè)置串行通信數(shù)據(jù)傳輸格式。

5.4.2 ZigBee節(jié)點配置

由ZigBee組網(wǎng)條件可知：

1）一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)必須具有一個唯一的協(xié)調(diào)器，至少一個路由器；

2）組網(wǎng)的各模塊具有相同的CHANNEL；

3）組網(wǎng)的各模塊具有相同的PAN ID。

在配置嵌入式網(wǎng)關(guān)的過程中，將嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)置為協(xié)調(diào)器模式，其余Zigbee節(jié)點要連接到嵌入式網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)中，通過PAN ID來進(jìn)行識別與組網(wǎng)。

通過查詢嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件地址，在本方案中，對嵌入式網(wǎng)關(guān)的Zigbee模塊PAN ID設(shè)置為506A，因此其余ZigBee節(jié)點的PAN ID也應(yīng)設(shè)置為506A，則必須首先對ZigBee節(jié)點的硬件地址進(jìn)行修改和分配，如下表2所示：

5.4.3 RF433/315配置

在數(shù)傳模式中，同步頭字節(jié)同樣必須根據(jù)嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件地址來進(jìn)行設(shè)置即可。

5.5 傳感器數(shù)據(jù)采集及處理過程

在本系統(tǒng)方案中，傳感器得到的相關(guān)數(shù)據(jù)通過Zigbee模塊、射頻模塊等方式發(fā)送信號，嵌入式網(wǎng)關(guān)得到原始信號，并進(jìn)行相應(yīng)處理，打開執(zhí)行單元輸出端，將告警信息傳遞給移動終端設(shè)備。下面以煙霧傳感器/門磁傳感器、光敏傳感器為例分別簡要說明通過Zigbee和繼電器信道進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的過程。

5.5.1 煙霧傳感器/門磁傳感器報警

當(dāng)煙霧傳感器/門磁傳感器處于打開狀態(tài)（非法入侵）時，煙霧傳感器/門磁傳感器會產(chǎn)生高/低電平信號，通過ZigBee3模塊將高/低電平信號通過網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行上報，嵌入式網(wǎng)關(guān)中，設(shè)置相應(yīng)程序段判斷接收高電平信號，通過藍(lán)牙、無線網(wǎng)絡(luò)和RS485總線方式可對平板電腦、智能手機(jī)和繼電器進(jìn)行相應(yīng)信號傳遞。

串口繼電器收到Modbus協(xié)議格式命令發(fā)送打開對應(yīng)的聲光報警器輸出端開關(guān)。

平板電腦在接收到信號后，可遠(yuǎn)程進(jìn)行信號處理，發(fā)送Modbus協(xié)議格式命令給嵌入式網(wǎng)關(guān)，通過嵌入式網(wǎng)關(guān)給串口繼電器關(guān)閉聲光報警器輸出端命令。

智能手機(jī)接收到信號后，可發(fā)送關(guān)閉命令給平板電腦，平板電腦接收命令后，再發(fā)送Modbus協(xié)議格式命令給嵌入式網(wǎng)關(guān)，通過指令對繼電器操作，關(guān)閉聲光報警器輸出端命令。

5.5.2 光敏傳感器

1）白天狀態(tài)固定報警器報警

當(dāng)固定報警器按下時，固定報警器會上報低電平信號，通過RF433模塊將低電平信號進(jìn)行上報，嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)置相應(yīng)程序段判斷接收上報信號，同樣通過藍(lán)牙、無線網(wǎng)絡(luò)和RS485總線方式可對平板電腦、智能手機(jī)和繼電器進(jìn)行相應(yīng)信號傳遞。串口繼電器、平板電腦和智能手機(jī)接收到信號后的處理過程同前。

2）黑夜?fàn)顟B(tài)人體紅外傳感器接收到信號開啟LED照明系統(tǒng)延時關(guān)閉

當(dāng)接收到人體紅外傳感器信號時，人體紅外傳感器會發(fā)送自身硬件地址，嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)置相應(yīng)程序段判斷接收數(shù)據(jù)值，開啟LED燈，同時設(shè)置多線程，延時關(guān)閉。

6 總結(jié)

本文針對現(xiàn)有智能家居設(shè)備進(jìn)行功能分析，主要對移動互聯(lián)基礎(chǔ)上的智能家居進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，從成本、可行性分析，到系統(tǒng)方案的設(shè)定，以及系統(tǒng)項目方案的實施進(jìn)行闡述，對嵌入式網(wǎng)關(guān)、各傳感器模塊、通信模塊、串口繼電器和執(zhí)行單元及信息處理的整個工作過程加以論述，提出并設(shè)計了一種基于移動互聯(lián)應(yīng)用的智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案，同時也可作為訓(xùn)練和考查學(xué)生在典型移動互聯(lián)應(yīng)用環(huán)境下的應(yīng)用設(shè)計、通信組網(wǎng)、系統(tǒng)部署與維護(hù)、工程技能等方面的綜合知識與技能的案例模型，指導(dǎo)電子信息大類跨專業(yè)、高水平復(fù)合型人才的培養(yǎng)，引領(lǐng)高職院校電子信息大類專業(yè)教育教學(xué)改革，為今后進(jìn)一步的研究和應(yīng)用提供了一定的參考。

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